電子系統(tǒng)設計與工程應用 課件 第3章 信息傳感與轉換

3.1信息傳感技術

3.2模/數(shù)轉換技術

3.3數(shù)/模轉換技術

3.4信源編譯碼技術3.1信息傳感技術3.1.1傳感器概述電子系統(tǒng)無論采用模擬體制還是數(shù)字體制,均只能直接處理電信號,而自然界大量存在的、信號檢測與處理的對象或需要傳遞的信息往往是非電量的,如語音、圖像、溫度、煙霧、壓力、光強等。傳感器亦稱為變換器、換能器或探測器,它是將各種非電量按一定規(guī)律轉換成便于處理和傳輸?shù)碾娏康难b置,也定義為對應于特定被測量提供有效電信號輸出的器件。傳感器種類繁多,通常都用靜態(tài)特性與動態(tài)特性對其性能進行描述。另外,傳感器的敏感元件輸出的信號一般比較微弱,往往還需要信號調(diào)理電路,以便將微弱的傳感器輸出信號轉換成抗干擾和驅動能力強的信號,有時甚至直接變換成能滿足后續(xù)電路處理要求的電流(如4~20mA)與電壓(如0~10V)信號。傳感器的性能主要通過其輸入/輸出關系來描述,傳感器的輸入/輸出關系特性是傳感器的基本特性。傳感器基本特性又分為靜態(tài)特性與動態(tài)特性,靜態(tài)特性描述的是傳感器在被測量不隨時間變化,或變化緩慢且在測量期間可忽略其變化時的性能特性,動態(tài)特性描述的是傳感器在被測量隨時間變化時的性能特性。1.傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性主要通過線性度、精度、遲滯、重復性偏差、準確度、靈敏度、分辨率、穩(wěn)定性等性能指標來衡量。對于輸入/輸出特性呈線性關系的傳感器,線性度是非常重要的性能指標,它反映的是實際特性曲線與理論直線間的偏差。傳感器的精度是指測量結果的精確程度,即測量結果與真值的偏差。它以給定的準確度表述重復某個度數(shù)的能力,誤差越小,精度越高。當傳感器的正(輸入量增大)行程和反(輸入量減小)行程的實際特性不相重合并形成回線時,稱之為傳感器具有遲滯,其偏差稱為遲滯偏差,如圖3.1所示。當傳感器在全量程范圍內(nèi)多次重復測試時,同在正行程或同在反行程上對應于同一個輸入量,其輸出量之間的差值稱為重復性偏差。重復性偏差所反映的是測量結果偶然誤差的大小而不是表示與真值之間的偏差。有時重復性偏差雖然很好,但實際測量值可能遠離真值。傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出量變化與輸入量變化的比值,靈敏度反映了傳感器對輸入信號的敏感程度。分辨率又稱分辨力,是指使傳感器輸出發(fā)生可觀測變化的最小輸入變化量。穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長時間內(nèi)保持其性能的能力,一般以室溫條件下經(jīng)過規(guī)定時間間隔后傳感器的輸出與起始標定時的輸出之間的差異來表示。2.傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性又稱為動態(tài)響應,它研究的是當被測量隨時間變化時,傳感器的輸出量與輸入量之間的動態(tài)關系。傳感器的動態(tài)特性通常用時域、復頻域、頻域三種數(shù)學模型表示。時域模型就是通過常系數(shù)線性微分方程表示傳感器的輸入/輸出關系,復頻域模型是通過傳遞函數(shù)表示傳感器的輸入/輸出關系,而頻域模型則通過頻率響應函數(shù)表示傳感器的輸入/輸出關系。在傳感器的應用設計中,應注意以下兩點:(1)合理選擇滿足應用要求的傳感器。(2)設計合適的信號調(diào)理電路3.1.2傳聲器與應用電路設計1.傳聲器傳聲器是一種將聲音信號轉換為電信號的能量轉換器件,它是通過聲波作用到電聲元件上產(chǎn)生電壓,再轉為電能。話筒(也稱為麥克風,Microphone英文單詞的音譯)是最常用的傳聲器,由最初通過電阻轉換聲/電發(fā)展為電感、電容式轉換聲/電。按照目前業(yè)內(nèi)廣泛使用的分類方法,話筒可分為動圈話筒和電容話筒。其中,動圈話筒是指由磁場中運動的導體產(chǎn)生電信號的話筒,由振膜帶動線圈振動,從而使磁場中的線圈生成感應電流。動圈話筒的特點有:(1)結構牢固,性能穩(wěn)定。(2)頻率特性良好,50~15000Hz頻率范圍內(nèi)幅頻特性曲線平坦。(3)指向性好。(4)無需直流工作電壓,使用簡便,噪聲小。電容話筒的振膜就是電容器的一個電極,當振膜振動,振膜和固定的后極板間的距離發(fā)生變化,就產(chǎn)生了可變電容量,這個可變電容量和話筒本身所帶的前置放大器一起產(chǎn)生信號電壓。電容話筒的特點有:(1)頻率特性好,在音頻范圍內(nèi)幅頻特性曲線平坦。(2)無方向性。(3)靈敏度高,噪聲小,音色柔和。(4)輸出信號電平比較大,失真小,瞬態(tài)響應性能好,這是動圈話筒所達不到的優(yōu)點。(5)工作特性不夠穩(wěn)定,低頻段靈敏度隨著使用時間的增加而下降,壽命比較短,工作時需要直流電源,使用不方便。相比較而言,電容話筒在靈敏度和擴展后的高頻(有時也會是低頻)響應方面通常要優(yōu)于動圈話筒。鋁帶式話筒也是動圈話筒的一種,但它是采用一個很薄的金屬片代替?zhèn)鹘y(tǒng)動圈話筒中所使用的振膜和線圈,通過金屬片自身根據(jù)聲壓變化而產(chǎn)生的震動來帶動磁場中電流的變化,從而最終產(chǎn)生聲音信號。鋁帶式話筒對高頻的響應能力要高于傳統(tǒng)的動圈式話筒,但無法和電容話筒相媲美。傳聲器或話筒的主要技術指標有靈敏度、頻率響應、指向特性、輸出阻抗和動態(tài)范圍等。靈敏度是表示話筒聲/電轉換效率的重要指標,是指向話筒施加聲壓為1帕(Pa)的聲波時話筒的開路輸出電壓,單位是毫伏/帕(mV/Pa)。動圈式話筒的靈敏度為1.5~4mV/Pa,而電容式話筒靈敏度典型值是20mV/Pa。話筒的靈敏度還常用dB來表示,規(guī)定1伏/帕(V/Pa)為0dB,由于話筒輸出遠小于1伏/帕,所以也常用dBm與dBμ表示。0dBm=1mW/Pa,即把1Pa輸入聲壓下給600Ω負載帶來的1mW功率輸出定義為0dBm;0dBμ=0.775V/Pa,即將1Pa輸入聲壓下話筒輸出0.775V電壓定義為0dBμ。頻率響應反映的是話筒聲/電轉換過程中衡量頻率失真的一個重要指標。話筒在恒定聲壓和規(guī)定入射角聲波作用下,各頻率聲波信號的開路輸出電壓與規(guī)定頻率話筒開路輸出電壓之比稱為話筒的頻率響應。一般用頻率響應曲線來表示,其橫軸為頻率,單位為Hz,大部分情況取對數(shù)來表示;縱軸則為音強,單位為dB。當話筒接收到不同頻率聲音時,輸出信號會隨著頻率的變化而發(fā)生放大或衰減。最理想的頻率響應曲線應為一條水平線,代表輸出信號能真實呈現(xiàn)原始聲音的特性,但這種理想情況不容易實現(xiàn)。通常,希望曲線在2Hz~20kHz音頻范圍內(nèi)保持不變。目前,大多數(shù)話筒頻率響應在50Hz~15kHz范圍內(nèi),變化范圍在3dB內(nèi)。指向特性是指話筒的靈敏度隨聲波入射方向的變化而變化的特性,又稱為方向特性?；镜闹赶蛱匦杂腥较蛐浴ⅰ?”字形雙方向性和心形單方向性三種。其中全方向性又稱無方向性,即話筒靈敏度與聲波入射方向無關,甚至對從手柄后面?zhèn)鱽淼穆曇粢嗍侨绱恕！?”字形雙方向性是指聲波沿話筒振膜正前方或正后方入射,靈敏度最高,而對左右方向(沿振膜的平行方向)的入射聲波靈敏度極低。心形單方向性話筒對沿振膜正前方入射的聲波靈敏度最高,對沿振膜正后方入射的聲波靈敏度極低。輸出阻抗是指話筒的交流內(nèi)阻。話筒輸出阻抗分為高阻輸出與低阻輸出兩類。一般低阻輸出阻抗為200~600Ω,高阻輸出阻抗在10kΩ以上;國產(chǎn)話筒高阻在20kΩ左右;高質(zhì)量話筒都采用低阻抗方式。為了保證足夠的電壓傳輸系數(shù),又不影響整個系統(tǒng)的頻率響應,要求與話筒連接的設備的輸入阻抗高于話筒輸出阻抗5~10倍。話筒的動態(tài)范圍通常用dB表示,是指話筒能夠做出線性響應的最大聲壓級(SPL)與最小聲壓級之差。動態(tài)范圍小會引起傳輸聲音失真,音質(zhì)變壞,因此要求有足夠大的動態(tài)范圍。高保真話筒在諧波失真小于0.5%時,動態(tài)范圍可達120dB。2.傳聲器應用接口設計很多計算機聲卡用戶需要購買專業(yè)話筒,但由于計算機領域的互連規(guī)程與專業(yè)音頻領域的不同,專業(yè)話筒與計算機連接時并不容易。為了成功地將專業(yè)話筒接入計算機,就必須了解專業(yè)話

筒

和

計

算

機

聲

卡

兩

方

面

的

知

識。首

先,專

業(yè)

話

筒

的

輸

出

信

號

很

弱,小

于1mV,而聲卡的音頻輸入端口“MicIn”通常不能接受如此低電平的信號,大多數(shù)聲卡要求輸入最小電平為10mV;其次,話筒的阻抗和相連的聲卡的阻抗之間的關系對從話筒傳送到聲卡的信號大小有顯著的影響,為獲得可靠的接收效果,話筒的輸出阻抗必須小于聲卡的輸入阻抗。一般說來,專業(yè)話筒的輸出阻抗低于600Ω,而大多數(shù)聲卡的輸入阻抗為600~2000Ω,因此一般不存在阻抗方面的問題。通過以上簡單分析可知,將話筒直接連接到聲卡上效果會很差,必須在話筒與聲卡之間加入接口電路,以解決信號的放大問題,且該接口電路的輸入阻抗必須大于話筒的輸出阻抗。一般來說,對于動圈話筒和電容話筒,接口電路的最佳輸入阻抗應該是話筒輸出阻抗的10倍左右。話筒與聲卡的接口電路如圖3.2所示。話筒輸出主要通過由三極管BC413B構成的共發(fā)射極放大電路實現(xiàn);三極管BC547C為射級跟隨器,用于減小接口電路與聲卡的相互影響。該接口電路采用聲卡供電的方式,C2、C3、R6用于濾除電源中的脈沖干擾與交流干擾;R5構成負反饋;由三極管BC413B構成的共發(fā)射極放大電路的輸入阻抗一般在幾千歐姆或幾十千歐姆量級,對話筒輸出信號的幅度影響可忽略不計。經(jīng)過這樣的一個接口電路,聲卡就能直接對語音信號進行處理了。3.1.3溫度傳感器與應用電路設計溫度傳感器是通過被感知對象的溫度變化而相應改變其某種特性或參量的敏感元件。溫度傳感器隨被測對象溫度的變化而引起變化的物理參量有膨脹、電阻值、電容值、熱電動勢、磁性能、頻率、光學特性等。按溫度傳感器與被測對象的接觸方式不同可分為接觸式與非接觸式溫度傳感器。下面以幾種常用的溫度傳感器為例,對典型應用進行討論。1.AD590溫度傳感器與應用AD590是電流型絕對溫度傳感器,以電流作為輸出量,其典型的電流溫度敏感度為1μA/K。AD590是一種電壓輸入、電流輸出的二端器件,器件本身與外殼絕緣,使用方便。AD590作為一種高阻電流源,不需要嚴格考慮傳輸線上的電壓信號損失和噪聲干擾問題,適用于遠距離測量。另外,該傳感器還適用于多點溫度測量系統(tǒng),而不必考慮選擇開關或CMOS多路轉換器所引入的附加電阻造成的誤差。由于內(nèi)部采用了一種獨特的電路結構,并利用薄膜電阻激光微調(diào)技術校準,使得AD590具有很高的精度。AD590的主要性能參數(shù)如下:(1)線性電流輸出,電流溫度靈敏度為1μA/K。(2)測量溫度范圍為-55℃~+150℃。(3)激光微調(diào)校準使定標精度(測量精度)達到±0.5℃(AD590M)。(4)在整個測溫范圍內(nèi)非線性誤差小于0.3℃(AD590M)。(5)工作電壓范圍為4~30V。利用AD590測溫,可從絕對溫度T(K)計算出攝氏溫度t(℃),其關系式為在AD590測溫的實際應用中要注意幾點:(1)AD590是溫度電流傳感器,即電流變化反應溫度的變化,在實際應用中,通常要將反應溫度的電流值轉換成便于處理的電壓值。(2)在高精度測溫中,必須保證AD590輸出的電流不被分流,通常采用運放的高輸入阻抗和虛地來實現(xiàn)。(3)AD590是絕對溫度傳感器,而實際應用中通常只要求反映攝氏溫度的變化,可通過硬件電路與后續(xù)處理兩種方法實現(xiàn)。如圖3.3所示給出了AD590的幾種典型而又非常簡單的應用電路。在圖3.3的三種應用電路中,都將隨溫度變化的電流轉換成了隨溫度變化的電壓,以方便后續(xù)處理。圖3.3(a)中通過R1與R2后電壓隨溫度變化的靈敏度為1mV/K,調(diào)整電位器R2可校準輸出的精度。圖3.3(b)中由于運放的輸入阻抗遠遠大于R1,使得運放同相端對傳感器輸出的電流的分流可忽略不計,從而保證了測量的精度。圖3.3(c)則利用運放的虛地使得傳感器的輸出電流只能流過反饋電阻Rf,這樣輸出電壓為Uo=RfI,從而實現(xiàn)電流/電壓轉換。由于AD590是絕對溫度傳感器,圖3.3所示的三種應用電路的輸出電壓與絕對溫度呈正比,而在實際應用中,往往需要檢測攝氏溫度的變化,也就是說,要求輸出與攝氏溫度呈正比。如圖3.4所示就是利用AD590實現(xiàn)攝氏溫度檢測的典型電路。圖中第一級運放用作射極跟隨器,以隔離后級電路對感應電流的影響。第二級運放的反相端為固定電壓,該值可通過電位器R2進行調(diào)整,同相端的電壓與絕對溫度呈正比。為了使第二級運放的輸出電壓Uo與攝氏溫度呈正比,只需要在0℃時調(diào)整電位器R2,使Uo=0V,這樣即可消除式(31)中273.15常數(shù)項的影響。2.LM35/45溫度傳感器與應用LM35/45是電壓型攝氏溫度傳感器,其輸出電壓正比于攝氏溫度,靈敏度為10mV/℃。LM35/40芯片為三端器件,由于芯片內(nèi)部采用了曲率補償電路,輸出電壓的線性度得到了改善,在被測范圍內(nèi)非線性誤差僅為±0.2℃。LM35/45的輸出阻抗小,可采用單電源或雙電源供電,與后續(xù)電路接口簡單,使用方便;其工作電流也很小,低于70μA,在靜止空氣中自然升溫不超過0.1℃,測量精度高。LM35/45的主要性能參數(shù)如下:(1)線性電壓輸出靈敏度為10mV/℃。(2)測量溫度范圍為-45℃~+150℃。(3)在全量程范圍內(nèi)測量精度達到±0.4℃。(4)在整個測溫范圍內(nèi)非線性誤差為±0.2℃。(5)工作電壓范圍為5~20V。LM35/45基本應用電路如圖3.5所示。圖3.5(a)是基本接法,該電路只限于對正溫度(0℃以上)的檢測。對于負溫度的檢測,可采用圖3.5(b)和圖3.5(c)所示電路。圖3.5(b)采用單電源,LM35/45的3腳(負端)通過二極管接地,以實現(xiàn)負端電平的轉移。這樣,當溫度低于0℃時,在輸出端與負端之間可以得到負的電壓輸出,從而實現(xiàn)了對負攝氏溫度的檢測。圖3.5(c)則使用了雙電源工作。3.1.4光電傳感器與應用電路設計1.光電傳感器光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測信號或控制信號的變化轉換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號的變化轉換成電信號的變化。這個“被測信號或控制信號→光信號→電信號”的轉換過程通過光既實現(xiàn)了輸入信號(即被測信號或控制信號)到電信號的傳輸,又實現(xiàn)了輸入信號與電信號的隔離。因此,光電傳感器在檢測與控制中有著廣泛的應用,特別適用于被檢測量對后續(xù)處理電路容易產(chǎn)生干擾的檢測場合以及被控單元容易對控制單元產(chǎn)生干擾的控制場合。由于光電傳感器要實現(xiàn)“被測信號或控制信號→光信號→電信號”的轉換過程,因此,光電傳感器一般包括可控發(fā)光源、光通道以及光電器件等部分。其中可控發(fā)光源通常為發(fā)光二極管或紅外發(fā)光管,光電器件則主要為光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。光敏電阻的阻值與光敏二極管的反向電阻會隨照射光的增加而減小,光敏三極管則能對光照射后產(chǎn)生的電信號進行放大,從而在發(fā)射極產(chǎn)生較大的電流。常用的光電傳感器實際上是一種光電耦合器,它是一種由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用,并以光作為媒介傳遞信號的器件,發(fā)光元件與接收元件被封裝在一個外殼內(nèi)。光電耦合器的發(fā)光元件通常是半導體發(fā)光二極管,光電接收元件則為光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。按光電耦合器件的輸出結構可分為直流輸出型與交流輸出型兩類;按結構與用途不同可分為用于電隔離的光電耦合器和用于檢測物體有無的光電開關。光電傳感器也是一種電量隔離轉換器,具有抗干擾和單向傳輸?shù)奶匦?廣泛用于電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關以及固態(tài)繼電器等場合。在計算機控制系統(tǒng)中,來自現(xiàn)場的開關量通過光電傳感器可轉換成計算機能夠接收的數(shù)字量,而計算機輸出的控制信號(開關量)則通過它變換成能夠直接驅動執(zhí)行機構的信號。2.光電傳感器的應用接口設計1)光電傳感器在機械有觸點開關量輸入接口電路中的應用機械有觸點開關量是工程中經(jīng)常遇到的典型開關量,它由機械式開關(如按鈕、繼電器)產(chǎn)生。其特點是無源,開關時有抖動。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的這些機械式開關在啟動與工作過程中會對控制系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的干擾,為了保證控制系統(tǒng)的安全可靠,通常在這些開關量與控制系統(tǒng)之間采用光電耦合器進行隔離。其接口電路如圖3.6所示。為了消除操作開關時導致的觸點抖動,在電路中采用了由R1和C構成的、有較長時間常數(shù)的積分電路。2)光電傳感器在電子無觸點開關量輸入接口電路中的應用無觸點開關量是指電子開關(如固態(tài)繼電器、功率電子器件、模擬開關)產(chǎn)生的開關量。由于無觸點開關通常與主電路沒有隔離,因此隔離電路是信號變換的一個重要組成部分。常用的電子無觸點開關量輸入接口電路如圖3.7所示。3)光電傳感器在交直流繼電器/接觸器接口電路中的應用典型的直流繼電器接口電路如圖3.8所示。對于直流繼電器、接觸器等磁電式執(zhí)行器件,應在其線圈兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管,以抑制元件斷開時產(chǎn)生的反電動勢對接口電路的影響。對于交流繼電器或接觸器,由于其線圈的工作電壓是交流電,通常使用雙向晶閘管驅動,接口電路如圖3.9所示。其中OPTOTRIC為雙向晶閘管輸出型光電耦合器,用于觸發(fā)雙向晶閘管。4)光電傳感器在固態(tài)繼電器接口電路中的應用固態(tài)繼電器是一種兩輸入端、兩輸出端的四端器件,是一種無觸點電子繼電器。輸入與輸出之間用光電耦合器隔離,輸入端僅要求很小的控制電流,與TTL、CMOS等集成電路具有較好的兼容性,能直接與控制輸出相連,而輸出則用雙向晶閘管接通或斷開負載電源。固態(tài)繼電器具有開關速度快、體積小、壽命長、工作可靠的特點。采用固態(tài)繼電器不僅能實現(xiàn)小信號對大電流功率負載的開關控制,而且具有隔離作用。固態(tài)繼電器典型接口電路如圖3.10所示,圖中MOC3041為雙向晶閘管輸出型固態(tài)繼電器,內(nèi)有過零觸發(fā)電路,輸入端的控制電流為15mA,輸出端的額定電壓為400V,輸入與輸出端的隔離電壓為7500V。3.2模/數(shù)轉換技術模/數(shù)轉換器(又稱A/D轉換器或ADC)是一種將連續(xù)的模擬量轉換成離散的數(shù)字量的一種電路或器件。模擬信號轉換成數(shù)字信號一般要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼等幾個環(huán)節(jié),因器件的實現(xiàn)方法不同,其工作過程也會有所區(qū)別。本節(jié)重點討論與模/數(shù)轉換應用單元的設計密切相關的內(nèi)容,包括A/D轉換器的主要性能指標、A/D轉換器的選擇以及A/D轉換器的工程應用。至于A/D轉換器的內(nèi)部組成與工作原理,這里不予討論,感興趣的讀者可參考相關書籍。3.2.1A/D轉換器主要性能指標A/D轉換器的技術指標很多,包括轉換位數(shù)、分辨率、轉換速度與轉換時間、延遲時間、量化誤差、滯后誤差、零誤差、滿量程誤差、線性誤差、信噪比、孔徑抖動、無雜散動態(tài)范圍、互調(diào)失真、總諧波失真、有效轉換位數(shù)等。這些技術指標有些比較專業(yè),在進行器件的選用時不一定每項都要深入考慮,應根據(jù)需要對技術指標進行取舍。A/D轉換器的主要技術指標如下:1)轉換位數(shù)與分辨率將模擬信號轉換為數(shù)字信號時,該數(shù)字信號的位數(shù)稱為轉換位數(shù)。分辨率指A/D轉換器輸出的數(shù)字信號變化一個最低有效位(LSB)時,輸入模擬量的“最小變化量”。當輸入模擬量的變化比這個“最小變化量”更小時,則不會引起輸出數(shù)字量的變化。分辨率又稱為轉換靈敏度或量化電平,是對模擬量微小變化的分辨能力。分辨率與A/D轉換器的轉換位數(shù)和輸入滿量程有關。假如一個A/D轉換器的輸入電壓范圍為(0,U),轉換位數(shù)為n,則它的分辨率為A/D轉換器的位數(shù)越多,其電壓輸入范圍越小,其分辨率就越高。工程上常用相對滿度的百分比來表示分辨率,即由于A/D轉換器件不能做到完全線性,總會存在零點幾位乃至一位的精度損失,從而影響A/D轉換器的實際分辨率,降低了A/D轉換器的轉換位數(shù)。通常用有效轉換位數(shù)表示轉換器非線性的影響。2)轉換時間與轉換速度轉換時間是指A/D轉換器從啟動轉換到轉換完成所需的總時間,即A/D轉換器每轉換一次所需時間。顯然該指標也表明了轉換速度,即每秒鐘內(nèi)能完成的轉換次數(shù)。3)量化誤差A/D轉換器的量化誤差是一個固定誤差,也稱為舍入誤差。由于A/D轉換器的輸出數(shù)字位數(shù)有限而導致A/D轉換器的量化誤差為±(1/2)LSB。4)延遲時間延遲時間是指A/D轉換器發(fā)出采樣命令的采樣時鐘邊沿(上升沿或下降沿)與實際開始采樣的時刻之間的時間間隔。3.2.2A/D轉換器的選擇針對不同的采樣對象,有不同的A/D轉換器可供選擇,其中有通用的也有專用的,有些A/D轉換器還包含其他功能。在選擇A/D轉換器時需考慮多種因素,除關鍵參數(shù)外,還應考慮其他因素,如數(shù)據(jù)接口類型、控制接口與定時要求、采樣保持性能、基準要求、校準能力、通道數(shù)量、電源要求(單電源還是雙電源)、輸出二進制數(shù)字量的編碼形式、功耗、使用環(huán)境要求、封裝形式以及與軟件有關的問題等。1)采樣率的選擇A/D轉換器采樣率的選擇要根據(jù)待進行A/D轉換的模擬信號確定。當待轉換的信號為基帶信號時,則采樣率至少應滿足奈奎斯特采樣定理要求;當待轉換的信號為中頻調(diào)制信號時,采樣率須滿足帶通采樣定理要求。工程實現(xiàn)中,采樣率通常選擇采樣定理要求的采樣率的1~3倍,甚至更高。如待轉換的基帶信號最高頻率為3kHz時,工程上采樣率取18~24kHz,最好為30kHz,甚至更高。由于A/D轉換器的采樣率指標通常是以區(qū)間形式給出的,只要工程設計的采樣率在此區(qū)間,則從采樣率要求考慮,該A/D轉換器就符合工程要求。2)轉換位數(shù)與分辨率的選擇工程設計人員進行轉換位數(shù)與分辨率的選擇時,首先要根據(jù)電子系統(tǒng)性能指標確定要求能分辨的模擬信號的最小變化量,該最小變化量實際上就是對A/D轉換器的分辨率要求;其次,確定輸入到A/D轉換器的模擬信號的幅度變化范圍(動態(tài)范圍);第三,利用A/D轉換器的位數(shù)、分辨率以及滿量程(即信號的最大幅值)三者之間的關系式(32),計算對A/D轉換器位數(shù)的要求;最后,根據(jù)對轉換位數(shù)、分辨率以及滿量程的要求,選擇合適的模/數(shù)轉換器。工程上選擇A/D轉換器時,盡量選擇比要求高一些的A/D轉換器,以便保留一定的余量。這里需要說明的是,上面的計算是在實際信號的最大幅值與A/D轉換器的滿量程相等的條件下進行的,而在實際中,由于信號的最大幅值可能是一任意值,而A/D轉換器的滿量程是一確定值,二者可能不等。在這種條件下,一方面要對信號進行調(diào)理,使信號的最大幅值與A/D轉換器的滿量程相等,以便使A/D轉換器的動態(tài)范圍得到充分利用;另一方面,要對調(diào)理后的信號的分辨率以及轉換位數(shù)重新計算,以驗證選擇的A/D轉換器是否符合要求。3)輸入模擬量通道數(shù)與信號變化范圍的選擇有的A/D轉換器只有一個模擬輸入通道,有的則有多個輸入通道,A/D轉換器的模擬輸入信號范圍常為0~5V、0~10V、-5~+5V、-10~+10V。對于貼片器件來說,一般轉換速度較高,其范圍通常為0~3V。在工程應用中應根據(jù)A/D轉換器輸入的模擬信號數(shù)量以及信號變化范圍選擇合適的器件。4)基準電源、工作電源與采樣時鐘的考慮基準電源是A/D轉換器將模擬量轉換成數(shù)字量時用的基準源,直接影響轉換精度。采樣時鐘是A/D轉換器必不可少的組成部分。有的模/數(shù)轉換器內(nèi)部集成有基準電源與采樣時鐘振蕩電路,有的則沒有,需要外部自行設計。在選擇A/D轉換器時,應盡量選擇內(nèi)部集成有這些模塊的器件,以減小成本與設計復雜性。另外,有的A/D轉換器為單電源供電,有的則要求雙電源供電,如果電子系統(tǒng)中其他功能模塊都采用的是單電源供電方式,在選擇A/D轉換器時,最好也選用單電源供電的器件。5)數(shù)字接口考慮A/D轉換器輸出有并行輸出與串行輸出,輸出電平以及A/D轉換器的控制邏輯電平有TTL電平、CMOS電平與ECL電平,輸出的數(shù)字量編碼有偏移碼與補碼。在工程應用中都要仔細考慮,以選擇合適的器件,否則,就有可能導致電路的復雜性。如在單元電路中其他功能器件均采用TTL電平,而A/D轉換器選用的是ECL電平,則在A/D轉換器與其他功能器件的連接中都必須加入電平轉換電路。6)工作環(huán)境考慮根據(jù)工作環(huán)境選擇A/D轉換器的環(huán)境參數(shù),如功耗、工作溫度等。A/D轉換器的功耗應盡可能低,因為轉換器的功耗太大會帶來供電、散熱等許多問題。3.2.3A/D轉換器工程應用為滿足

實

際

需

要,市

場

上

有

各

種

各

樣

的A/D轉

換

器

芯

片,下

面

結

合AD公

司

的AD1674以及美國國家半導體公司(NSC)的ADC0809討論A/D轉換器的工程應用。1.AD1674及其應用AD1674是美國AD公司推出的一種完整的12位并行模/數(shù)轉換單片集成電路。該芯片內(nèi)部自帶采樣保持器(SHA)、10V基準電壓源、時鐘源以及與微處理器總線直接接口的暫存/三態(tài)輸出緩沖器。AD1674的基本特點和參數(shù)如下:(1)帶有內(nèi)部采樣保持的完整12位逐次逼近(SAR)型模/數(shù)轉換器。(2)采樣頻率為100kHz。(3)轉換時間為10μs。(4)具有±(1/2)LSB的積分非線性(INL)以及12位無漏碼的差分非線性(DNL)。(5)滿量程校準誤差為0.125%。(6)內(nèi)有+10V基準電源,也可使用外部基準源。(7)四種單極或雙極電壓輸入范圍分別為±5V,±10V,0~10V和0~20V。(8)數(shù)據(jù)并行輸出,采用8/12位可選微處理器總線接口。(9)雙電源供電:模擬部分為±12V/±15V,數(shù)字部分為+5V。(10)功耗低,僅為385mW。AD1674的引腳圖如圖3.11所示。引腳按功能可分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號輸入端口和電源端口四種類型。一種利用AD1674對語音信號進行模/數(shù)轉換的電路如圖3.12所示。來自插座J1的語音信號經(jīng)電位器調(diào)整信號的幅度,以滿足模/數(shù)轉換器對信號幅度的要求,該信號經(jīng)LF353構成的射隨器后,加到模/數(shù)轉換器的模擬信號輸入端。由于要求模擬信號轉換成12位數(shù)字信號,所以(數(shù)據(jù)輸出位選擇輸入端)接高電平。從電路圖可看出,由于(片選信號輸入端)接低電平,CE(操作使能端)接高電平,顯然,模/數(shù)轉換的啟動完全由(讀/轉換狀態(tài)輸入端)的信號控制。當模/數(shù)轉換結束后,STS(轉

換

狀

態(tài)

輸

出

端)將

變

為

低

電

平,該

信

號

經(jīng)

電

平

轉

換

芯

片SN74LVC16245后

與TMS320VC33DSP的中斷端相連。也就是說,模/數(shù)轉換結束,DSP將執(zhí)行中斷服務程序,讀取轉換結果,供DSP進行語音信號的處理。需要說明的是,由于AD1674的輸出為5V供電

的TTL電

平,而TMS320VC33DSP采

用

的

電

源

是3V,因

此AD1674與TMS320VC33所有信號的連接都必須經(jīng)過電平轉換芯片SN74LVC16245。2.ADC0809及其應用ADC0809是美國國家半導體公司(NSC)生產(chǎn)的CMOS工藝、8通道、8位逐次逼近式A/D轉換器;其內(nèi)部有一個8通道多路開關,可根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號,選擇其中的一路進行A/D轉換;具有通道地址譯碼鎖存器、輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器;啟動信號為脈沖啟動方式,最大可調(diào)誤差為

±1LSB。ADC0809內(nèi)部沒有

時

鐘

電

路,故CLK時

鐘

需

由

外

部

輸

入,CLK允

許

范

圍

為500kHz~1MHz,典

型

值

為640kHz,每一通道的轉換需要66~73個時鐘周期,即時間為100~110μs。ADC0809允許8路

模

擬

量

輸

入,但

共

用

一

個AD轉換器,同一時刻只能選擇1路模擬信號進行轉換,通

道

選

擇

由

對ADDA、ADDB、ADDC進

行地址位鎖存與譯碼完成。模/數(shù)轉換結果通過三態(tài)鎖存

器

后

輸

出,故

可

直

接

與

系

統(tǒng)

數(shù)

據(jù)

總

線(DB)相連。ADC0809的引腳圖如圖3.13所示。引腳分為邏輯控制端口、并行數(shù)據(jù)輸出端口、模擬信號輸入端口和電源端口四種類型。引腳功能說明如下:IN0~IN7為8路模擬量輸入端;D0~D7為8位

數(shù)

字

量

輸

出

端;ADDA、ADDB、ADDC為3位地址,用于選擇進行A/D轉換的通道;ALE為地址鎖存允許信號(輸入),高電平有效;START為A/D轉換啟動信號(輸入),高電平有效;EOC為A/D轉換結束信號(輸出),高電平有效,在A/D轉換期間,輸出低電平,轉換結束,輸出高電平;OE為數(shù)據(jù)輸出允許信號(輸入),高電平有效,在A/D轉換結束后,給該引腳輸入高電平,轉換結果才能通過三態(tài)門輸出;CLK為時鐘信號輸入端;VREF(+)、VREF(-)為基準電壓端;VCC為+5V電源端,GND為地端。ADC0809與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接接口簡單,在設備的開機自檢測單元設計、故障自診斷(智能診斷)電路設計、設備重要輸出參數(shù)的定期監(jiān)測單元電路設計以及對非電量參數(shù)(溫度、濕度、光強等)的實時檢測中得到廣泛應用。一種利

用ADC0809與

單

片

機

進

行

模/數(shù)

轉

換

與

數(shù)

據(jù)

處

理

的

電

路

如

圖3.14所

示。3.3數(shù)/模轉換技術數(shù)/模轉換(又稱D/A轉換器或DAC)是一種將二進制數(shù)字量形式的離散信號轉換成以標準量(或參考量)為基準的模擬量的轉換器件。D/A轉換器通常由加權電阻網(wǎng)絡、運算放大器、基準電源以及模擬開關4個部分組成。按輸出模擬量的形式不同,D/A轉換器可分為電流型DAC與電壓型DAC;按數(shù)字量輸入的形式不同,分為并行D/A轉換器與串行D/A轉換器兩種。一般并行D/A轉換器比串行D/A轉換器的轉換速度快,但并行D/A轉換器的引腳多,最常用的數(shù)/模轉換器是將并行二進制的數(shù)字量轉換為直流電壓或直流電流的并行D/A轉換器。不同的應用領域,所需求的D/A轉換器的性能不同,有的領域需要高速D/A轉換器,如儀器儀表領域;有的需要高精度的D/A轉換器,如醫(yī)療器械領域。針對不同的需求,選擇合適的D/A轉換器芯片是硬件工程師的重要工作。下面討論與數(shù)/模轉換應用單元設計密切相關的內(nèi)容,包括D/A轉換器的主要性能指標及其工程應用。3.3.1D/A轉換器主要性能指標D/A轉換器的技術指標很多,除了分辨率、轉換建立時間、量程等主要指標外,還有其他指標。下面分別介紹這些指標的具體含義,以方便工程應用時選擇合適的D/A轉換器芯片。1)分辨率分辨率是D/A轉換器對輸入數(shù)字量變化的敏感程度,即當輸入數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)字變化(LSB位產(chǎn)生一次變化)時,所對應的輸出模擬量(電壓或電流)的變化量。分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關,實際使用中,也用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率。數(shù)字量的位數(shù)越多,分辨率就越高.2)精度D/A轉換器的轉換精度與集成芯片的結構和接口電路配置有關。如果不考慮D/A轉換器的其他誤差,D/A轉換器的轉換精度就是分辨率的大小。因此,要獲得高精度的D/A轉換結果,必須選擇有足夠分辨率的轉換器。同時轉換精度還與外接電路的配置有關,當外部電路器件或電源誤差較大時,會造成較大的轉換誤差,當這些誤差超過一定范圍時,D/A轉換就會產(chǎn)生錯誤。在D/A轉換過程中,影響轉換精度的主要因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差以及微分非線性誤差。3)轉換建立時間轉換建立時間是描述D/A轉換器運行快慢的一個參數(shù),其值為數(shù)字量輸入到模擬量輸出至終值誤差的±(1/2)LSB時所需要的時間。轉換建立時間表明了D/A轉換器從數(shù)字量輸入到模擬量輸出的轉換速度。電流輸出型的D/A轉換器的轉換建立時間比較短,而對于電壓輸出型D/A轉換器,由于內(nèi)部的運算放大器需要一定的延遲時間,因此轉換建立時間要長一些。4)非線性誤差非線性誤差定義為實際轉換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差,并以該偏差與滿量程的百分數(shù)度量,在轉換器電路設計中,一般要求非線性誤差不大于±(1/2)LSB。5)標稱滿量程與實際滿量程標稱滿量程(NFS)是指相應于數(shù)字量的標稱值2n

的模擬輸出量。實際滿量程(AFS)是指實際輸出的模擬量。D/A轉換器實際輸出的數(shù)字量為2n-1,要比標稱值小一個LSB,即實際滿量程要比標稱滿量程小一個LSB的增量。6)增益誤差轉換器的輸入與輸出特性曲線的斜率稱為D/A轉換增益,實際轉換的增益與理想增益之間的偏差稱為增益誤差。通常用輸入時的輸出值與理想輸出值之間的偏差來表示,也可以用偏差值相對滿量程的百分數(shù)來表示。7)溫度系數(shù)在滿刻度輸出條件下,溫度每升高1℃,輸出變化的百分數(shù)定義為溫度系數(shù)。8)失調(diào)誤差失調(diào)誤差又稱為零點誤差,定義為數(shù)字輸入全為0碼時,其模擬輸出值與理想輸出值的偏差值。對于單極性D/A轉換,模擬輸出的理想值為0V。對于雙極性D/A轉換,理想值為負域滿量程。偏差值的大小一般用LSB或偏差值相對于滿量程的百分數(shù)來表示。9)尖峰尖峰指的是D/A轉換器的輸入端的數(shù)字信號發(fā)生變化的時刻,在輸出端產(chǎn)生的瞬時誤差。10)電源抑制比對于高質(zhì)量的D/A轉換器,要求其內(nèi)部的開關電路與運算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時,對輸出電壓的影響要極小。通常把滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比稱為電源抑制比。11)工作溫度范圍一般情況下,影響D/A轉換精度的主要環(huán)境與工作條件因素是溫度與電源電壓的變化。由于工作溫度會對D/A轉換器內(nèi)部的運算放大器、加權電阻網(wǎng)絡等產(chǎn)生影響,所以只有在一定的工作溫度范圍內(nèi)才能保證額定精度指標。較好的D/A轉換器的工作溫度范圍在-40℃~+85℃之間,較差的D/A轉換器的工作溫度范圍在0℃~70℃之間。多數(shù)器件的靜、動態(tài)指標均是在25℃的工作溫度下測得的,工作溫度對各項精度指標的影響用溫度系數(shù)來描述,如失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)、微分線性誤差溫度系數(shù)等。以上這些技術參數(shù)反應了D/A轉換器的主要性能,是選購D/A轉換器的主要參考指標。3.3.2D/A轉換器的選擇針對不同的應用場合,有不同的數(shù)/模轉換芯片可供選擇。在實際應用中如何選擇合適的D/A轉換器,主要從以下幾個方面考慮:1)性能指標要求在選擇D/A轉換器時,首先要分析具體應用對D/A轉換器的指標要求,然后,在此基礎上選擇滿足指標要求的D/A轉換芯片。D/A轉換器的性能指標很多,在選擇D/A轉換器時,通常重點考慮轉換速度、分辨率以及準確度三個指標。轉換速度由轉換建立時間決定,如某D/A轉換器的轉換建立時間為100μs,如果在具體應用中輸出兩個相鄰數(shù)字量的最小時間間隔為50μs,則該轉換器將無法滿足要求;如果最小時間間隔為200μs,則該轉換器能滿足應用要求。分辨率反映了D/A轉換器對輸入數(shù)字量變化的敏感程度,如某D/A轉換器的LSB位產(chǎn)生一次變化對應10mV,而工程上要求最小分辨電壓為5mV時,則該芯片將無法滿足要求。為方便工程實現(xiàn),通常D/A轉換器的位數(shù)應與輸出數(shù)字編碼的位數(shù)一致。D/A轉換器的準確度與集成芯片的結構、接口電路配置、電源誤差以及轉換器本身的失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差以及微分非線性誤差等因素有關。除了對精度要求特別高的場合需要仔細考慮準確度指標外,隨著電子實現(xiàn)技術的發(fā)展,D/A轉換器的準確度通常都能滿足一般工程應用要求。2)數(shù)字接口輸入到D/A轉換器的數(shù)字量邏輯電平有TTL電平、CMOS電平與ECL電平,通常優(yōu)先選擇與待轉換數(shù)字量邏輯電平、編碼格式一致的轉換器。如果沒有滿足要求的芯片,則必須在D/A轉換器與其他功能部件的連接之間加入電平轉換電路,否則,將會導致數(shù)字量的不穩(wěn)定。3)基準電源、工作電源與輸出模擬量的形式基準電源的精度直接影響D/A轉換精度,基準電源可以分為內(nèi)部基準和外部基準、固定基準和可變基準、單極性基準和雙極性基準。在選擇器件時,應盡量選擇有內(nèi)部集成基準的器件,以減小成本與設計復雜性。工作電壓的變化也會影響轉換精度,有的D/A轉換器為單電源供電,有的則要求雙電源供電,如果其他功能模塊都采用的是單電源供電方式,在選擇D/A轉換器時,最好也選用單電源供電的D/A轉換器。D/A轉換器模擬量的輸出有電壓與電流兩種形式,究竟選擇哪種輸出形式的D/A轉換器,主要由后續(xù)電路對模擬量的要求確定。如果后續(xù)電路要求輸入模擬電壓,則盡量選擇輸出為電壓的D/A轉換器,否則,設計電路時需要加入電流到電壓的轉換電路。4)工作環(huán)境應根據(jù)工作環(huán)境選擇D/A轉換器的環(huán)境參數(shù),如功耗、工作溫度等。D/A轉換器的功耗應盡可能低。3.3.3D/A轉換器工程應用為滿足實際需要,市場上有各種各樣的D/A轉換器芯片,下面以美國國家半導體公司的DAC0832為例,討論D/A轉換器的工程應用。DAC0832是一種8分辨率的D/A轉換集成芯片,為并行輸入電流型D/A轉換器,具有價格低廉、轉換控制容易、接口簡單、與微處理器完全兼容的優(yōu)點,在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。該芯片由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及相應控制電路組成。電流穩(wěn)定時間為1μs,+5~+15V單電源供電,功耗20mW。DAC0832的引腳圖如圖3.15所示1)單緩沖方式單緩沖方式是控制8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器同時接收數(shù)據(jù),也就是一個工作在鎖存狀態(tài),一個工作在直通狀態(tài)。該工作方式主要用于只有一路模擬量輸出或幾路模擬量異步輸出的情形。2)雙緩沖方式雙緩沖方式是先將數(shù)據(jù)寫入8位輸入鎖存器并鎖存,再控制8位輸入鎖存器的數(shù)據(jù)到8位DAC寄存器,即分兩次鎖存待轉換的數(shù)據(jù)。此方式主要用于多個D/A轉換同步輸出的情形。3)直通方式直通方式是8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器工作在直通狀態(tài),8位輸入鎖存器與8位DAC寄存器中的數(shù)據(jù)隨D0~D7的變化而變化。由于這種工作方式將輸入的數(shù)據(jù)直接轉換成模擬信號輸出,且D0~D7變化時,模擬信號會跟隨變化,而D0~D7通常與控制器或處理器的總線相連,會出現(xiàn)模擬信號隨總線數(shù)據(jù)變化的情況,因此,這種方式較少運用。一種利用DAC0832對單片機輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)/模轉換的接口電路如圖3.16所示。3.4信源編譯碼技術3.4.1信源編譯碼概述通信系統(tǒng)屬于最重要的一類電子系統(tǒng),與人們的日常工作、生活密切相關。一般地說,通信系統(tǒng)的性能指標主要有有效性、可靠性、安全性以及經(jīng)濟性。通信系統(tǒng)優(yōu)化就是使這些指標達到最佳。除了經(jīng)濟性外,其他指標可以通過各種編碼處理使系統(tǒng)性能優(yōu)化。編碼可分為信源編碼、信道編碼以及加密編碼三類。信源編碼的作用有兩個:一是把信源發(fā)出的消息變換成由二進制(或多進制)碼元組成的代碼組,這種代碼組就是基帶信號;二是壓縮信源的冗余度(即多余度),提高通信系統(tǒng)傳輸消息的效率和優(yōu)化通信系統(tǒng)的有效性指標?？梢?將傳感器輸出的模擬信號變換為數(shù)字信號,除了采用前面的模/數(shù)轉換方法外,還可以采用信源編碼技術來實現(xiàn),數(shù)字移動通信系統(tǒng)就是采用的這種方法。信道編碼的作用是在信源編碼輸出的代碼組中有目的地增加一些監(jiān)督碼元,使之具有檢錯與糾錯的能力,并由接收機中與之對應的信道譯碼器將落在其檢錯或糾錯范圍內(nèi)錯傳的碼元檢測出來并加以糾正,以提高傳輸消息的可靠性,改善通信系統(tǒng)的可靠性指標。加密編碼是研究如何隱蔽消息中的信息內(nèi)容,以便在傳輸過程中不被竊聽,提高通信系統(tǒng)的安全性,優(yōu)化通信系統(tǒng)的安全性指標。由于這三類編碼的目標往往是相互矛盾的,因此,在實際應用中應統(tǒng)一考慮,以提高通信系統(tǒng)的性能。提高有效性必須去掉信源信息中的冗余部分,此時信道誤碼會使接收端不能恢復出原來的信息,這就需要相應提高傳送的可靠性,不然會使通信質(zhì)量下降;反之,為了提高可靠性而采用信道編碼,往往需增加碼值,也就降低了有效性。安全性也有類似情況。加密編碼有時需擴展碼位,這樣也就降低了有效性。從理論上講,若能把這三種編碼合并成一種編碼來編譯,即同時考慮有效性、可靠性和安全性,可使編譯碼更理想化,在經(jīng)濟上也能更實惠,但從理論上和技術上的復雜性看,要取得有用的結果,還是相當困難的。從信號與信息處理角度來看,信源編碼完成的是將信息轉換成數(shù)字基帶信號,而信道編碼、加密編碼實現(xiàn)的是對數(shù)字基帶信號的處理。3.4.2信源編碼分類信源編碼按是否可實現(xiàn)無失真可逆恢復可分為無失真信源編碼和限失真信源編碼。無失真信源編碼能實現(xiàn)無失真地可逆恢復,主要適用于要求進行無失真數(shù)據(jù)壓縮的離散信源或數(shù)字信號,如文本、表格及工程圖紙等。限失真信源編碼只能實現(xiàn)有限失真的可逆恢復,主要適用于允許有一定失真的連續(xù)信源或模擬信號,如話音、電視圖像、彩色靜止圖像等。因為這些信息的最終接收者是人,而人的視覺、聽覺等主要感覺器官具有一些特殊的性質(zhì),不要求完全無失真可逆恢復消息。限失真信源編碼通常只要求在保證一定質(zhì)量的條件下近似地再現(xiàn)原來的消息即可,也就是說允許恢復有一定的錯誤,而對視覺與聽覺效應不會產(chǎn)生嚴重的影響。根據(jù)信源編碼前后碼元的關聯(lián)性,信源編碼可分為獨立信源編碼與相關信源編碼。獨立信源編碼又分為離散信源編碼與連續(xù)信源編碼。例如:脈沖編碼調(diào)制(PCM)和矢量量化技術就屬于獨立連續(xù)信源編碼,而增量調(diào)制(ΔM、DM)、差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)、自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)以及線性預測聲碼器等預測編碼則屬于相關信源編碼。適用于離散信源的無失真信源編碼分為等長編碼和不等長編碼(亦稱變長編碼)。顧名思義,等長編碼的編碼長度為定值,編碼效率低,而變長編碼的編碼長度是變化的,編碼效率高。典型的無失真信源編碼有霍夫曼(Huffman)編碼、游程編碼、算術編碼以及通用編碼(又稱字典碼)等,這些編碼方法在實際的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)中得到廣泛應用。其中,前三種編碼方法都是當信源的統(tǒng)計特性已確知時,能達到或接近壓縮極限界限的編碼方法。霍夫曼編碼是一種效率比較高的變長編碼,采用的是分組編碼(塊編碼)方式,主要適用于多元獨立的信源。雖然霍夫曼碼的編碼不唯一,但其平均長度總是一樣的,而且對編碼器的要求也較簡單,其缺點是當源序列的長度很長時,計算量非常大。游程編碼是一種針對相關信源的有效編碼,尤其適用于二元相關信源。這種編碼方法在圖文傳真、圖像傳輸?shù)葘嶋H通信工程技術中得到應用,有時與其他一些編碼方法混合使用,以獲得更好的壓縮效果。算術編碼也是一種主要適用于二元信源及具有一定相關性的有記憶信源的編碼方式,采用的是序貫編譯碼方法,在源序列長度很長時,性能很好。這種編碼方法編碼效率高,實現(xiàn)簡單,而且能靈活地適應數(shù)據(jù)的變化。字典碼是針對信源的統(tǒng)計特性未確定或不知時所采用的編碼方法,或者說這種編碼方法不需要利用信源的統(tǒng)計特性,是一種編碼效率非常高的語法解析碼。這種編碼方法由以色列學者A.Lempel和J.Ziv提出,習慣上簡稱LZ碼。T.A.Welch在此基礎上進行了改進,將LZ碼變成了一種實用的編碼,稱為LZW碼。LZW編碼具有自適應性、壓縮效果好、邏輯性強、易于硬件實現(xiàn)、運算速度快等顯著特點,已經(jīng)作為一種通用壓縮方法廣泛應用于二元數(shù)據(jù)的壓縮。目前市場上常用的Winzip、ARJ、ARC等著名壓縮軟件都是LZW編碼的改進與應用。3.4.3語音編解碼技術及其工程應用語音通信是目前最常見、也是用得最多的一種人與人溝通與交流的方式。由于數(shù)字通信相對于模擬通信具有諸多優(yōu)點,目前移動通信均采用數(shù)字通信體制,由語音編碼器將模擬話音信號轉換成數(shù)字信號。語音編碼在移動通信中非常重要,它決定了接收到的話音質(zhì)量與系統(tǒng)容量。衡量語音編碼器的特性有編碼率、時延、復雜度與話音質(zhì)量。其中,降低編碼率是話音編碼的首要目標,它直接關系到傳輸資源的有效利用和網(wǎng)絡容量的提高。時延會對通話的實時性產(chǎn)生影響,時延通常由算法時延、計算時延、復用時延(又稱裝配時延)以及傳輸時延四部分組成。復雜度決定了編碼器硬件成本與功耗,也影響編譯碼器的實時性。而編解碼后恢復的話音質(zhì)量和許多外界條件有關。一個好的語音編碼技術應具有低編碼率、小時延、低復雜度、高話音質(zhì)量。當然,在具體實現(xiàn)中這些特性往往是矛盾的,必須根據(jù)實際需要取舍,對各個特性提出折中要求,從而確定合適的編碼方法。對語音進行編碼,實現(xiàn)語音數(shù)字化,主要利用了發(fā)聲過程中存在的冗余度和人的聽覺特性。據(jù)統(tǒng)計,雙方通話大約只有40%的時間是真正有聲音的,即,只有40%的時間是有效通信時間,60%的時間屬于冗余時間。另外,人耳接收語音信號的帶寬與分辨率往往有限,話音信號的頻譜范圍為20Hz~8kHz,如果去掉低端與高端的頻率,保留頻譜范圍為300~3400Hz的信號,對人的聽覺不會產(chǎn)生影響。語音編碼技術可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼三大類。波形編碼是對模擬語音信號波形經(jīng)過取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音信號。為了保證數(shù)字語音信號解碼后的高保真度,波形編碼需要較高的編碼速率,一般要求16~64kb/s。波形編碼的優(yōu)點是適用于很寬范圍的語音信號,且在噪音環(huán)境下都能保持穩(wěn)定,缺點是占用的頻帶較寬。這種編碼技術主要用于有線通信中。波形編碼包

括

脈

沖

編

碼

調(diào)

制(PCM)、差

分

脈

沖

編

碼

調(diào)

制(DPCM)、自適應差分脈沖編碼調(diào)制(ADPCM)、增量調(diào)制(ΔM、DM)、連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSDM)、自適應變換編碼(ATC)、子帶編碼(SBC)和自適應預測編碼(APC)等。參量編碼是基于人類語言的發(fā)聲機理,找出表征語音的特征參量,對這些特征參量進行編碼的一種方法。在接收端,根據(jù)所收的語音特征參量信息恢復出原來的語音。由于參量編碼只需傳送語音特征參數(shù),可實現(xiàn)低速率的語音編碼,編碼速率一般在1.2~4.8kb/s。線性預測編碼(LPC)及其變形編碼均屬于參量編碼。參量編碼的缺點在于語音質(zhì)量只能達到中等水平,不能滿足商用語音通信的要求