簡論模擬信號數(shù)字化后的信號損傷和對策

1、隧!簡 論 模 擬 信 號 數(shù) 字 化 后 的 信 號 損 傷 和 對 策 孔 揚 ( 鹽 城紡 織 職 業(yè) 技 術學 院 機 電 丁程 系 ． 江蘇 鹽 城 2 2 4 0 0 0)摘 要 ： 本 文介 紹 了模 擬 信 號數(shù) 字 化 后 信 號 損 傷 的 種 類 和 原 因 ， 并根 據(jù) 各 個 損 傷 的 原 因提 出 了減 少損 傷 的 對 策 。關鍵 詞 ： 模 擬 信 號 數(shù) 字 化 信 號損 傷 對 策 1 ． 引 言

2、1 ． 1 模 擬 信 號 數(shù) 字 化 的 必要 性 模擬信號數(shù)字化 的必要性是 由模擬和數(shù)字信號的差 異決 定的。( 1 ) 模擬信 號傳輸時 ． 是用高低 電平 不同的脈 沖來表樂 數(shù)據(jù)的 ， 而且傳輸介質一般是采用金屬導體 ， 這樣隨著傳輸距 離 的增長 ， 途 中信號 的衰減也越來越嚴重 ， 即使加 了信號增強 設備后 ， 也無法達到起初的效果。此外 ， 模擬信號的電平存?zhèn)?輸 中會產(chǎn)生電磁場 ． 因而 會受到外界磁場的十擾 。

3、 而數(shù)字信 號一 一 般 南同 軸 或 光纖 傳輸 。幾 乎 不 受任 何 十 擾 ．傳 輸 距 離 也 更 K， 且光的速度是3 0 萬公 里／ 秒 ， 是電信號無法相 比的 。( 2 ) 計 尺寸 、 岡框 、 標 題欄 、 繪 圖環(huán)境相關設 置 ， 并 可隨時通 過樣板 文 件 新 建 同 一 模 式 的 圖形 文 件 ， 避 免 重 復 的 勞 動 ， 提 高 岡效率 ) 、 創(chuàng) 建的方法 步驟要點及所用 到的相關命令 ( 定義

4、屬性 塊 、 創(chuàng) 建視 口、 布局 等) 功能 。學 員通過學習不但 能了解相關 的命令 和知識 ． 而且 馬上就可 以用于 工作實踐 ， 從而 提高l T作 效 率 。、 2 ． 學練 結 合 ． 突 出 實操技 能 。A u t o C A D是 一 門實 踐 性 很 強 的 課 程 。 在 安 排 教 學 時 ， 教 師要 注意課堂講解 、 實操演示 與學員上 機實踐 練 習的結合 。實踐 出真 知 ， 對于設計 軟件 的學 習

5、， 聽三遍 肯定 不如動手 做 一 遍 效果好 ， 因此 ， 教師 要充 分重視 學員 上機 實練 ， 在課 時 分 配 上 應 側 重 于 上 機 訓 練 。 筆 者 認 為 在 教 學 初 始 階 段 宜 將 課堂講授 與上機 學時 按1 ： 1 分 配 ，即先用2 學 時介紹 課程 的 基礎知識 ． 使 學員 了解課 程 的性 質與 目的 ， 對課程 建立 整體 的 初 步 認 識 之 后 ， 安 排 2 學 時 的 上 機 練

6、習 ， 熟 悉 設 計 環(huán) 境 及 一 些基本 操作 。然后 將課堂講 授與 上機學 時按 1 ： 2 分配 ， 在 保 障 必 備 專 業(yè) 知 識 的 基 礎 上 ．重 點 突 出 A u t o C A D 實 操 技 能 的 培 養(yǎng) 。3 ． 避 繁 就 簡 ． 穿插繪 圖 實 用技 。在 A u t o C A D 作 圖 時 ．運 用 不 同 的方 式 可 以達 到 同 樣 的 效 果 ， 這就存在著效率問題。例如 在圖形編輯

7、 中， 通過控 制被選 圖形 的夾點 能快速 進行一些基本 的編輯操 作 ． 如拉伸 、 移動 、旋轉 、 鏡像 、 縮 放等操作 ， 比分別 使用單個 的編輯命令要靈 活 快捷得多。教 師要善于總結和歸納這些實用技巧， 在教學中 ，特別是在實例教學過程 中要適時加以傳授 ，引導學員 在進行 圖像繪制時， 養(yǎng)成 分析 圖形構成 ， 采用最簡捷 的方式進行操作 的習慣 ． 從而提高操作技能與效率。二 、 在 A u t o C A D 培

8、 訓 中 采用 切 實 的 教學 方 法 。在A u t o C A D 輔助設計 軟件 培訓 教學中 ，除 了采崩常規(guī) 的講授法 、 演示法等方法外 ， 教師還要積極 地探索 和改進教學方 法和手段 ． 科學合 理地運用現(xiàn)代教學媒介 ， 加強教學過程 的互 動性 ， 以期收到良好的教學效果 。1 ． 運 用 實例 教 學 法 ． 實現(xiàn) 學 以致 用 。實 例 教學 法 主 要 是 針 對 具 有 一 定 真 實 性 、 實 踐 性 和

9、 針 對 性的實例 ， 通 過分析 、 討論 、 歸納和總結 ， 提高學 員分析 問題 和 解 決 問 題 能 力 的 一 種 教 學 方法 ， 這 種 教 學 方 法 可 以 使 學 員 在學習A u t o C A D 操作技能 的初級階段時 由淺人深 、 循序漸進 。在選 擇實例時 ， 教 師要注意根據(jù)教學重點 、 難點精選 實例 ， 以 覆蓋所要 講解的命令為原則 ， 難度適 中。由于此種教 學方法 是學員在課 堂上直接 參與

10、 ， 教與學 進行 了很好 的互動 ， 并 且 使學 員在完成作 品的基礎上體會 到學習的樂趣 ， 因而相關命 令的使用方法 ， 學 員會 掌握 得比較牢 固。例如 ， 筆者在講A u —t o C A D 編 輯 命 令 時 ． 就 以 一 個 閥體 圖形 的 畫法 作 為 實 例 ， 此 圖 形 看 似 復 雜 ， 但 在 引 導 學 員 對 圖形 進 行 分 析 之 后 ， 找 出 這 個 1 6 0圖形畫法的最佳途徑 ( 如 圖

11、所 示) ， 就變得非 常簡單 了．學員 通過實例的完成 ， 不但掌握 了相關命 令( 如旋轉 、 鏡 像 、 圓角 、偏移 ) 的使 用方法 ， 而 且掌握 了旋轉結 構特 點罔形 的給制技 巧 與 方 法 。坦僮套實踐 證 明 ． 在 A u t o C AD 教 學 中 采 用 實 例 教 學 法 ． 有 利 于 凋 動學員的積極性 和主動性 ， 使學員通過實際參與 ， 加深對所學 知識 的理 解 。 達 到 以 學 為 主 、

12、 學 以 致用 的教 學 目的 。2 ． 組 織 交往 式教 學 ． 實現(xiàn) 教 學 目標 。交 往 式 教 學 是 教 師 有針 對 性 地 將 學 員 分 成 小 組 ．完 成 共 同的教學 目標 ， 這種教學方式可使所有小組成員都 從葉 1 受益 ，最 大 限 度 地提 高學 習效 果 。針 對 培 訓 學 員 年 齡 不 一 、專 業(yè) 不 一、 計算機應用 知識水平 不一 ， 在A u t o C A D 新知識技 能的接受 和

13、掌 握 L 存 在差 異 的特 點 ， 采 用 交 往 式 教 學 方 法 ， 讓 學 優(yōu) 生 和 學 生一起討論 、 交流 ． 學困生可 以彌補不足 ． 學優(yōu)生可 以進 一 步鞏固技能 。教 師采用各種方法 ， 鼓勵 相互受益 ， 維持激勵 的氛嗣， 可使學困生的憂郁和壓 抑心情緩解 ， 從 而提高學聞生 的 學 習 能力 和 學 習 積 極性 。 此 外 ． 交 往 式學 習還 可 以培 養(yǎng)學 員 的合作精 神和 交住能力 。教師通

14、過觀察學員整體的練習效果 可 以 及 時 發(fā)現(xiàn) 教 學 中存 在 的 問 題 ， 及 時 歸 納 總 結 ， 從 而更 好 地 完 成 每 次課 的 教 學 目標 。3 ． 應用現(xiàn)代教學手段 ， 提 高教 學效果。使用現(xiàn)代 教育技 術手段 可 以增強教 學 的啟 發(fā)性 、直觀 性 和 趣 味 性 。 在 A u t o C A D教 學 中 。 教 師 應 建 立 課 程 多 媒 體 課 件 、 實例 展示 等 教學 資 源 ， 采用

15、多 媒體 網(wǎng)絡 教 室軟 件 的廣 播 功能 ， 使 學員 實時清 晰地觀 看教學 過程 。同時 ， 控制 學生 的 計 算 機 ， 集 中 學 生 的 注 意 力 。 提 供 師 生 的 交 互 平 臺 ， 實 現(xiàn) 電 子 舉 手 ． 以 及 在 線 答 疑 做 到 及 時 發(fā) 現(xiàn) 問 題 ， 及 時 解 決 問 題 ． 在 學 生 的操作 過 程 中實 現(xiàn)無 障 礙 溝通 。 從 而 提 高教 學 效 果 參 考 文 獻 ：[ 1

16、] 趙 為糧 ． 借 鑒 創(chuàng)新 超越 [ M] ． 重慶 ： 西 南師范大學 出版社 ． 2 0 0 7 ．『 2 1 美 國普林斯計算機教 育研 究 中心． A u t o C A D2 0 0 7 機械 制 圖 [ M] ． 北 京 ： 北 京 藝 術 與科 學 電子 出版 社 ， 2 0 0 7 ．[ 3 ] 嚴巍， 高上 ， 楊偉東． 機械 制圖[ M] ． 北京 ： 科學出版 社，2 0 ( ) 4 ．墨算機巾的數(shù)據(jù)是以0 和

17、1 的數(shù)字形式存在 的，所 以當模擬數(shù)據(jù) 要輸 入輸 出計算機時 ， 都要 進行數(shù)模轉換 ． 比較 麻煩 ． 還會引 起信號衰減。數(shù)字信號則可 以直接或非?？旖莸嘏c計算機進 行 輸 入 輸 出操 作 。1 ． 2 模 擬 信 號數(shù) 字化 處 理 的 步驟 模 擬 信 號 數(shù) 字 化 處 理 需 要 三 個 步 驟 ， 即 ： 取 樣 、 量 化 和 編 碼 ， 而各個步驟都會給信號本身帶來損傷 。2 ． 模 數(shù) 轉 換 過 程 中產(chǎn) 生

18、 的 信 號 損傷 和對 策 2 ． 1 l g樣 過 程 產(chǎn) 生 的 信 號損 傷 在取樣的過程中對信號造成 的損 傷主要有 ： 孑 L 闌效應 、 混 疊 效應 、 過 沖和 振 鈴 。 取 樣 是 指 每 隔一 定 時 間 用 信 號 樣值 序列 來代替原來在時問上連續(xù) 的信號 ，也就是在時 間上將模擬信 號離散化。 根據(jù)奈奎斯特取樣定理 ： 對于最大頻率為f m的信號 f ( t ) ， 當取樣頻率f s 不低于2 f m時 ．

19、 由截止頻 率為f m矩形低通濾 波器可以從取樣信號 中完全恢復原信號 。但實際的物理過程 與 數(shù) 字 模 型有 不 同的 _ = 】 _ = 程結 果 2 ． 1 ． 1 孑 L 闌效 應 在數(shù) 學 模 型 的 理 想 化 狀 態(tài) 下 理 想 的 取 樣 脈 沖 寬 度 為 無 窮 窄 ，但在實際設備 中取樣脈沖只能是有限寬度的脈沖 ．很顯 然 ，具有 不 等 于 零 的 實 際 的 有 限 寬度 的取 樣脈 沖所 引起 的孑 L闌

20、效應 會 產(chǎn) 生 高 頻 衰落 。由于信號的高頻部 分反 映的是視頻 圖像 的細節(jié) ．因此高 頻 衰落 會 導 致 視頻 畫面 的 細 節(jié)模 糊 。 針 對這 種 情 況 ． 實 際工 程 中一般采用在將數(shù) 字信號恢 復成模擬信號 以后通過提升高頻 的辦法對這種 失真進行補償 和校正 。 一般來講 ， 由于取樣信號 的頻率f s 必須滿足f s > 2 f m， 而為 了減少孔 闌效應要求 取樣 脈沖 的寬度T 盡量小 ，因此 要

21、滿足T 遠 遠小 于取樣信 號的周期T ． 即 取樣信號的脈 沖寬度要滿足1 ／ ' r > >2 f m2 ． 1 ． 2 混 疊 效 應 在實際應用 中 ， 為滿 足奈 奎斯特 定理 ， 在 取樣之 前應使 用截 止頻率 為取 樣頻 率一半 的濾波 器對 原信 號進 行 濾波 ．濾除 可能產(chǎn)生頻譜混 疊的 高頻成 分 ，以保 證新 處理 的信號 是一個有 限帶寬 的處 理信 號。理想 的低通 濾波 器和 實際 的

22、 低 通 濾 波 器 性 能 是 有 區(qū) 別 的 ．因 此 為 了盡 量 濾 除 大 于 1 ／ 2 f c的頻率成分 ， 就 要選擇多 階濾波器 。 如果濾 波器的階 數(shù)不足 以達到濾除 1 ／ 2 f c 以上 的高頻分 量 ，會引起 恢復 的信號 中頻 譜混 疊效應 ?；殳B效應在 視頻 圖像 上表現(xiàn) 為一種 被稱 為漣 漪 狀 的 干 擾 2 ． 2 量 化誤 差所 帶來 的 信 號損 傷 取樣 過程是把模擬信 號變成 了時 間上

23、離散的脈 沖信號 ．量化的過程則是進行幅度上 的離 散化 處理 。 因此在時 間軸 的 任意一點 上量化后 的信號 電平與 原模擬 信號 電平之 間在 大 多數(shù)情況下總是存在有一定 的誤 差 ， 量化所引入 的誤差是不 可避 免 的 ， 同 時也 是 不 可 逆 的 。降 低 量 化 誤 差 最 直 接 的 方 法 就是 增 加 量 化 級 數(shù) 減 小 最 小 量 化 問 隔 ． 但 由 此 帶 來 碼 率 的 增 加， 從而要求更大

24、的處理帶 寬 ， 例 如 ， 現(xiàn)在 的視頻信號 均采用 8 比特 、 l 0 比特 ，在信號 質量要 求較 高的情 況下采 用 l 2 比特 量化 。此外 ， 我們在 設計一 套系統(tǒng) 的時候 ． 可以考 慮在 系統(tǒng) 的不 同環(huán)節(jié)采用 不 同的比特量 化 ，使 系統(tǒng)各 個環(huán) 節(jié)的量 化 級相互錯 開 ，從 而避免量 化噪聲 累積效 果所 產(chǎn)生 的臺 階效 應 ， 這種均衡 的效果 可以改善 整個 系統(tǒng) 的量化 失真 。 一般 量 化 比特

25、高 的環(huán)節(jié)應該放在 系統(tǒng)的前端 ， 這樣 可以使系統(tǒng) 的前 端對信號造成的不可恢復損傷減小 到最低 限度 。2 ． 3 壓 縮 編 碼 所 帶 來 的信 號 損 傷 數(shù)字信號數(shù)碼率太高 ， 數(shù)據(jù)量非常大。 如果直接存儲和傳 輸 ， 不但開銷很大 ， 而且有 時設備承受不 了如此大的負荷。壓 縮編碼 以壓縮信源數(shù)碼率為 目的．盡量減少信源各符號的相 關性 ， 使信源的傳 輸效 率提 高。當然 ， 它 以犧牲圖像質量為前 提 ， 必定會對信

26、號造成一定的損傷。下 面針對兩種種常用 的圖像壓縮方式 ，來看一下它們具 體會對信號帶來的損 傷。2 _ 3 ． 1 差值脈沖編碼 ( D P C M)視頻圖像基本上是由面積較大的像塊組成 。雖然每個像 塊 的幅值各不相同 ， 但像塊 內(nèi)各樣值的幅度是相近或相同的。換句話說 ， 相鄰像素之間有很強的相關性。 我們就可以利用這 些相關性對 當前 的像素進行預測， 再利用預測值得到差值 。 這 樣在很 大的程度上降低 了信源 的冗余度 。這

27、種壓縮方法對視 頻信號會造成 以下?lián)p傷 ：2 ． 3 ． 1 ． 1 由于在 當前差 值中包括 當前的量化 誤差 ． 而輸 出的 前 一 樣 值 又 包 括 前 一 樣 值 的 量 化 誤 差 ， 這 就 造 成 了量 化 誤 差 的積累。誤差會傳播 ， 就使信號抗通道誤碼 能力減弱 2 ． 3 ． 1 ． 2 邊緣清晰度臨界 。根據(jù)D P C M編碼思想 ． 當被預測 值處于 圖像突變邊緣時 ，往往會導致錯誤 預測或產(chǎn)生較大 的 預測

28、誤差 ， 致使邊緣清晰度臨界 2 _ 3 ． 2 混 合編 碼 以兩種 或兩 種 以上 的方 法對 圖像 進行 編碼稱 為混 合編 碼 。我們熟悉 的J P E G 和MP E G 都屬于該種類型。2 _ 3 ． 2 ． 1 J P E G。J P E G 是處理彩色或單色靜止圖像的壓縮標 準 ， 利 用它可以獲得較高 的壓縮 比 ， 并保 持較好 的信 噪 比． 從 而大大節(jié)省 圖像存儲空間 ， 降低通訊帶寬 。 但是編碼過程會使 物

29、體在背景 中的位置略有移動( 即發(fā)生幾何畸變 ) 。另外 在高 壓縮 比場合 ， J P E G 的重建圖像在水平和垂直方向可能有暈圈 、幻 影 ， 產(chǎn)生 “ 方 塊 ” 效 應 。2 _ 3 ． 2 ． 2 M P E G。MP E G 壓縮 算法 中包 含兩種基 本技術 ： 一 種是基 于1 6 x 1 6 子塊的運動補償技術 。用來減少幀 序列的時 域冗 余 ； 另一 種是 基于D C T的壓 縮 ， 用來 減少 幀序 列的 空間

30、 冗余 。較 為 成 熟 的 MP E G 技 術 是 M P E G1 和MP E G 2 。M P E G I 是 為 適應在數(shù)字存儲媒體( ~ 1 1 C D — R O M) 上 有效地存取 電視圖像而 制定 的標準 ( 最高速率達 1 ． 5 Mb ／ s ) 。 它的壓縮技術基礎 為： 宏模 塊結 構 、 運 動補 償 及 宏 模 塊 的 有 條件 再 補 給 。 MP E G 2 是 MP E G 1算法 的擴 展 ，是

31、為 M P E G 1 最 初 沒 有 包 括 在 內(nèi) 或 未想 到 的應 用 提供 的一種視頻編碼方法 。 特別是對MP E G 2 提出的一個要求 ．即它所提供 的視頻質 量不 能低于N T S C ／ P A L．最高應 可達到 C C I R 6 0 1 質量 。MP E G 2 編碼算 法 的基 礎為 通用 的混 合D C T ／D P C M編 碼 方 案 3 ． 結語 模擬信號經(jīng)過數(shù)字化處理后會有不 同程度 的損傷 ，雖然