简论模拟信号数字化后的信号损伤和对策
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摘 要： 本文介绍了模拟信号数字化后信号损伤的种类和原因，并根据各个损伤的原因提出了减少损伤的对策。
关键词： 模拟信号数字化 信号损伤 对策
1.引言
1.1模拟信号数字化的必要性
模拟信号数字化的必要性是由模拟和数字信号的差异决定的。（1）模拟信号传输时，是用高低电平不同的脉冲来表示数据的，而且传输介质一般是采用金属导体，这样随着传输距离的增长，途中信号的衰减也越来越严重，即使加了信号增强设备后，也无法达到起初的效果。此外，模拟信号的电平在传输中会产生电磁场，因而会受到外界磁场的干扰。而数字信号一般由同轴或光纤传输，几乎不受任何干扰，传输距离也更长，且光的速度是30万公里/秒，是电信号无法相比的。（2）计算机中的数据是以0和1的数字形式存在的，所以当模拟数据要输入输出计算机时，都要进行数模转换，比较麻烦，还会引起信号衰减。数字信号则可以直接或非常快捷地与计算机进行输入输出操作。
1.2模拟信号数字化处理的步骤
模拟信号数字化处理需要三个步骤，即：取样、量化和编码，而各个步骤都会给信号本身带来损伤。
2.模数转换过程中产生的信号损伤和对策
2.1取样过程产生的信号损伤
在取样的过程中对信号造成的损伤主要有：孔阑效应、混叠效应、过冲和振铃。取样是指每隔一定时间用信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。根据奈奎斯特取样定理：对于最大频率为fm的信号f（t），当取样频率fs不低于2fm时，由截止频率为fm矩形低通滤波器可以从取样信号中完全恢复原信号。但实际的物理过程与数字模型有不同的工程结果。
2.1.1孔阑效应
在数学模型的理想化状态下理想的取样脉冲宽度为无穷窄，但在实际设备中取样脉冲只能是有限宽度的脉冲，很显然，具有不等于零的实际的有限宽度的取样脉冲所引起的孔阑效应会产生高频衰落。
由于信号的高频部分反映的是视频图像的细节，因此高频衰落会导致视频画面的细节模糊。针对这种情况，实际工程中一般采用在将数字信号恢复成模拟信号以后通过提升高频的办法对这种失真进行补偿和校正。一般来讲，由于取样信号的频率fs必须满足fs＞2fm，而为了减少孔阑效应要求取样脉冲的宽度τ尽量小，因此要满足τ远远小于取样信号的周期T，即取样信号的脉冲宽度要满足1/τ?垌2fm。
2.1.2混叠效应
在实际应用中，为满足奈奎斯特定理，在取样之前应使用截止频率为取样频率一半的滤波器对原信号进行滤波，滤除可能产生频谱混叠的高频成分，以保证新处理的信号是一个有限带宽的处理信号。理想的低通滤波器和实际的低通滤波器性能是有区别的，因此为了尽量滤除大于1/2fc的频率成分，就要选择多阶滤波器。如果滤波器的阶数不足以达到滤除1/2fc以上的高频分量，会引起恢复的信号中频谱混叠效应。混叠效应在视频图像上表现为一种被称为涟漪状的干扰。
2.2量化误差所带来的信号损伤
取样过程是把模拟信号变成了时间上离散的脉冲信号，量化的过程则是进行幅度上的离散化处理。因此在时间轴的任意一点上量化后的信号电平与原模拟信号电平之间在大多数情况下总是存在有一定的误差，量化所引入的误差是不可避免的，同时也是不可逆的。降低量化误差最直接的方法就是增加量化级数减小最小量化间隔，但由此带来码率的增加，从而要求更大的处理带宽，例如，现在的视频信号均采用8比特、10比特，在信号质量要求较高的情况下采用12比特量化。此外，我们在设计一套系统的时候，可以考虑在系统的不同环节采用不同的比特量化，使系统各个环节的量化级相互错开，从而避免量化噪声累积效果所产生的台阶效应，这种均衡的效果可以改善整个系统的量化失真。一般量化比特高的环节应该放在系统的前端，这样可以使系统的前端对信号造成的不可恢复损伤减小到最低限度。
2.3压缩编码所带来的信号损伤
数字信号数码率太高，数据量非常大。如果直接存储和传输，不但开销很大，而且有时设备承受不了如此大的负荷。压缩编码以压缩信源数码率为目的，尽量减少信源各符号的相关性，使信源的传输效率提高。当然，它以牺牲图像质量为前提，必定会对信号造成一定的损伤。
下面针对两种种常用的图像压缩方式，来看一下它们具体会对信号带来的损伤。
2.3.1差值脉冲编码（DPCM）
视频图像基本上是由面积较大的像块组成。虽然每个像块的幅值各不相同，但像块内各样值的幅度是相近或相同的。换句话说，相邻像素之间有很强的相关性。我们就可以利用这些相关性对当前的像素进行预测，再利用预测值得到差值。这样在很大的程度上降低了信源的冗余度。这种压缩方法对视频信号会造成以下损伤：
2.3.1.1由于在当前差值中包括当前的量化误差，而输出的前一样值又包括前一样值的量化误差，这就造成了量化误差的积累。误差会传播，就使信号抗通道误码能力减弱。
2.3.1.2边缘清晰度临界。根据DPCM编码思想，当被预测值处于图像突变边缘时，往往会导致错误预测或产生较大的预测误差，致使边缘清晰度临界。
2.3.2混合编码
以两种或两种以上的方法对图像进行编码称为混合编码。我们熟悉的JPEG和MPEG都属于该种类型。
2.3.2.1JPEG。JPEG是处理彩色或单色静止图像的压缩标准，利用它可以获得较高的压缩比，并保持较好的信噪比，从而大大节省图像存储空间，降低通讯带宽。但是编码过程会使物体在背景中的位置略有移动（即发生几何畸变）。另外在高压缩比场合，JPEG的重建图像在水平和垂直方向可能有晕圈、幻影，产生“方块”效应。
2.3.2.2MPEG。MPEG压缩算法中包含两种基本技术：一种是基于16×16子块的运动补偿技术，用来减少帧序列的时域冗余；另一种是基于DCT的压缩，用来减少帧序列的空间冗余。
较为成熟的MPEG技术是MPEG1和MPEG2。MPEG1是为适应在数字存储媒体（如CD-ROM）上有效地存取电视图像而制定的标准（最高速率达1.5Mb/s）。它的压缩技术基础为：宏模块结构、运动补偿及宏模块的有条件再补给。MPEG2是MPEG1算法的扩展，是为MPEG1最初没有包括在内或未想到的应用提供的一种视频编码方法。特别是对MPEG2提出的一个要求，即它所提供的视频质量不能低于NTSC/PAL，最高应可达到CCIR601质量。MPEG2编码算法的基础为通用的混合DCT/DPCM编码方案。
3.结语
模拟信号经过数字化处理后会有不同程度的损伤，虽然有些损伤可以修复，并不影响图像的最终质量，但这并不能影响电视领域向数字化的转变。因为与模拟信号数字化后所带来的好处相比，这些经过修复的损伤的影响往往会被人为地忽略。
参考文献：
［1］王朝英.信号处理原理.北京交通大学出版社，2006.
［2］沈其聪.数字通信原理.机械工业出版社，2004.