数字信号（精选12篇）
数字信号 篇1
1 信号和电平的概念
1.1 电平的定义
为了避免混淆,对“电平”的含义必须明确加以定义[1]。在数字QAM信号中,“电平”是指在任意一个时间间隔中所测得信号的真实功率。另一方面,在模拟视频信号的情况下,“电平”是指在水平同步脉冲周期内所测得的已调制RF载波的真实功率,有时也被称为“峰值视频包络功率”。如果在一个经延伸的时间周期内,用一个被称作“视频滤波器”的电路对同一个已调制载波进行测量,那么所得之结果将是“平均”功率。
1.2 模拟和数字信号的幅度分布
首先假设将QAM信号电平设置成等同于模拟视频信号的平均功率[2,3]。诚然,即便如此,两种信号的幅度分布情况大不相同。这就是说,在同一瞬间两种信号的特定瞬时值截然不同。在同一个示波器上交替观察这两种信号就可以看出它们之间的差别。通过对模拟信号的行、场消隐脉冲的重复显示,就可对它进行测量。而数字信号则完全是随机的。从统计学角度来看,两种信号“密度函数的或然率”( Probability Densi ty Functions,PDF)是不相似的。数字信号经常是呈现“高斯”(Gaussian)型的。
然而,当许许多多独立的信号被组合在一起时,整个信号的幅度分布将趋向于“高斯”分布。人们常用“中心限制理论”(Central Limit Theorem)来证实这一点(详尽的数学计算已不属于本文范围)。实际结论可以这么说,随着信号数目的增加,两种不同信号的“峰值”将越来越相似。这样,在激光发射机中经过峰值限幅,两种信号将更为近似了。本文所指大量模拟视频信号的组合,其数目约为大于20个。
1.3 模拟视频信号的峰值包络功率和平均功率的差别
一个模拟视频信号的峰值包络功率是等于未调制RF的载波功率,这是因为在水平同步脉冲周期内的调制深度为0。当载波被调制时,功率之减少取决于在白色峰值电平出现时的最大调制深度以及平均的图像电平(Average Picture Level,APL)。
对一个单一信号来说,APL的变化将跟随图像内容的变化。当节目内容不同时,APL的值将完全不同。但是,当一组图像信号被组合在一起后,APL的变化必将会减少。所以要选择一个适当的APL值。根据以上分析,选择APL为50%,这是因为图像的中间亮度在全白与全黑之间,这样的假设看来较为合理。另外,应考虑到有足够多的一组信号被组合在一起。
因而,在随后的计算中考虑的是一个模拟视频信号的平均功率有50%的APL。
1.4 场消隐期间的效应
在PAL制中,场消隐持续时间约占25 行的时间。在场消隐期内不传视频信号,但其间有几“行”可能包含图文数据和测试信号等信息。由于有此场消隐期效应,APL更难计算。考虑到这个因素,在计算时可作一个小的调整。但如何来给这个调整作具体设定较难给出。通过大量的实际测试发现,在最差的情况下,因场消隐期效应引起的已调制信号的平均功率增加约为0.2 d B。
1.5 色度信号与音频信号的效应
由于色度信号与音频信号之幅度远低于各种同步信号之幅度,因此,对亮度信号的50% APL来说,它们的效应可以忽略不计。
1.6 电视制式标准的选择
以下各项计算的根据是采用PAL制(除PAL–I制外)特性标准。经过简单的各项修正可证明,如采用NTSC制特性标准,其结果也基本相同。对PAL–I制标准来说,差别较大(特别常涉及到调制深度),就需要另作计算。
2数字与模拟信号电平差的计算
2.1 采用一般制式时的计算
图1 展示了在行消隐期间一个模拟视频信号的时域响应过程。需要注意的是,标准已规定了各种电视信号的详细特征,行同步脉冲和消隐的持续时间在某一特定的信号电平上是唯一的。当然,从一个电平瞬间转换至另一个电平也是不可能的。
然而,为了简化计算,假设从行同步脉冲到行消隐电平之间的转换为瞬时转换,并且它们的持续时间是平均值。从图1中可见,行同步脉冲(B)的时间宽度取值为4.7 μs,整个行消隐持续期,包括消隐前沿(A)、行同步脉冲(B)以及消隐后沿(C)(后沿内包含色同步信号),总共为12 μs。
如果从同步顶点到峰值白电平之间总的视频信号幅度为1 V,设同步头峰值点作为参考点,其值设为0 V,则消隐沿为0.3 V,50%的APL值为0.65 V。
基带模拟视频信号对RF载波的调制采用负极性调制方式(大部分电视系统都采用负极性调制方式)。这意味着在行同步脉冲期间的RF载波幅度为最大。在PAL制式中,当图像信号处于峰值白电平时,“残留”(residual)的载波幅度是最大值的1/10,即0.1(要特别注意“幅度”与“功率”之区别)。图2展示的是在行消隐期间的已调制信号。
相应于消隐电平的RF载波幅度导出过程为:
在基带信号中,同步头到峰值白电平为1 V,消隐信号出现在0.3 V处(见图1)。如果RF载波的最大幅度为1.0,其幅度变化可从1.0~0.1,即0.9 的动态范围。将0.3 乘以0.9,得到0.27。所以,消隐信号可表现出一个最大值为0.73(由1.0-0.27得)倍的RF载波电平。
类似地,相应于50%白电平的RF载波幅度导出过程为:
在基带信号中,50%白电平信号出现在0.65 V处(见图1)。把0.65乘以0.9,得到0.585。因此,50%白电平信号可表现出一个最大幅度为0.415(由1.0-0.585得)倍的RF载波电平。
在行同步脉冲期间,RF载波处于最大幅度值,即1 V。现在又如何来确定已调制载波的平均功率呢?这就需要测定在整个一个行周期中(64 μs),信号在3 种电平(0.415,0.73,1.0)上各自的信号持续时间。
信号的3个持续时间如表1所示。
以上计算都是以电压(V)为单位的,现在则应以功率为单位来计算。因功率与电压的平方成正比,则可按电压平方关系计算
因此,功率从最大值下降了10lg(0.274)= 5.62 d B。换言之,一个被具有APL为50%的视频信号调制的RF载波,其平均功率比峰值包络功率或未调制载波的功率低5.62 d B。这就表明,对数字QAM信号来说,建议应用的平均功率电平应比模拟信号的峰值包络功率电平低约6 d B。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。
同样的方法也可用来分析在场消隐期间所增加的RF信号功率。诚然,如前所说有些电视系统常在场消隐期内插入文字、数据、测试信号等信息,有些系统则很少插入这些信息。在最差的情况下,假设不插入任何信息,则RF信号的平均功率被增加0.2 d B。这一点微小的调整可以忽略不计,而实际情况是,在场消隐期内插入测试信号是较为普遍的一种应用。
2.2 采用PAL-I制时的修正
在计算信号平均功率时,要考虑PAL–I制与其他制式的基本差别在于载波的调制深度。在PAL–I制中,与峰值白电平相应的残留载波幅度是最大值的1/5,即0.2,不同于其他PAL制的0.1,如图3所示。
用如前所述测定时间长度的方法来决定已调制载波的平均功率。这就是测定在整个行周期中(64 μs),信号在3 种电平(0.48,0.76,1.0)时各自的信号持续时间。
信号的3个持续时间如表2所示。
按电压平方关系计算
因此,功率从最大值下降了10lg(0.326 5)= 4.86 d B。事实上,PAL–I制的最大调制深度与其他PAL制相比略小一点,结果造成调制信号的平均功率略大。现在的结论就是在PAL–I制系统中,数字QAM信号的电平设置可比峰值包络视频功率电平低5 d B。这样就与模拟视频信号具有相同的功率电平了。
实际上,在有线电视系统的应用中,采用降低6 d B的方法较为普遍,而不管其为何种电视制式。
3 QAM信号的测量和设置
3.1 正确测量QAM信号的幅度
HFC设备正常工作的最基本要求是下行RF电平要设置正确。大多数人对模拟频道的测试都已经很熟悉,使用频谱分析仪和电平表很容易做到,但要正确测量64QAM和256QAM就遇到了麻烦。首先,这些载波形式的幅度是8 MHz带宽的平均功率。其次,数字调制载波很像充满频带的噪声,这使测量变得复杂。
在模拟电视频道幅度测量中感兴趣的是已调频道的视频载波的瞬时同步峰值的均方根值(RMS)。那就是为什么电平表使用峰值检波的道理,那样的仪表就可以决定瞬时同步峰值和显示载波RMS幅度。峰值检波电平表对视频是最佳的,但对噪声和类噪声的信号则无法测量。
当用通常的电平表去测量噪声时,必须使用检波器校对因子来修正。因为电平表是在较窄的带宽下测量的,对视频载波可以取得最佳效果,但对噪声就不行了。对8 MHz带宽的调制载波测量必须取整个带宽的平均功率。很明显这个带宽要比电平表的测量带宽(MBW)宽得多。有些仪表已具备数字平均功率测量的功能。频谱分析仪提供了一个很方便的测量数字调制载波的方法。但是,如果不注意使用方法非常容易得到错误的结果。
从图4 和图5 可以看出,尽管信号没变,但由于频谱分析仪上的分辨率带宽(RBW)设置不同,在频谱仪屏幕上显示出的QAM信号相对模拟信号的幅度差是不一样的。
通过公式计算的方式可得到正确的QAM功率为
式中:PT是总功率;PRBW是光标点测量值(图4 是90 d BμV,图5 是95 d BμV);BWE信号带宽;BWR是分辨率带宽(RBW)(图4是100 k Hz,图5是300 k Hz)。
通过图4所得到的数据计算得
通过图5所得到的数据计算得
可见图4、图5 中QAM信号强度都是109 d BμV。按国内大多数网络的设置,如果要求QAM信号比模拟信号低10 d B,则此时恰恰相对于模拟信号100 d BμV高出了9 d B,高于正常值19 d B。
3.2 正确设置QAM信号与模拟信号的电平差
通过上节分析可知,正确的设置见图6和图7。
PRBW的光标点测量值在图6 是中71 d BμV,图7 中是76 d BμV。 根据图6 中所得数据,依据式(3)得
根据图7中数据计算得
可见,这样的设置才是正确的。
4数字平移后发射机电平的调整
在实际应用中,由于数字平移后模拟频道数大大减少,一般从60 个减少到6 个,而增加的QAM数字频道数约在30个左右,所以光发射机的输入总功率下降,时常会引起发射机显示输入过低告警。此时就需要增加发射机的RF输入功率。必须清楚地知道,这个功率是指发射机得到的RF输入总功率。一般会通过提高每频道电平来提高总功率。
4.1 计算平移前后的信号总功率
如果平移前模拟频道为60 个,每频道的电平为15 d Bm V,则有
这个功率就是平移前发射机得到的总功率。
如果平移后模拟频道为6个,每频道电平提高到23 d Bm V,QAM频道为30个,QAM信号比模拟信号低10 d B,则有
这个总合成功率就是平移后发射机得到的总功率。可见,平移前后发射机得到的总功率基本相等,发射机工作状态没有改变,仍处在正常工作状态。
4.2 建议的调试方法
根据上节的计算可以看到,平移后如果把模拟信号电平提高8 d B,就可以保持光发射机得到的总功率与平移前一样。但也应该注意到,由此会带来3个问题:
1)要将前端原有的信号分配系统提高信号电平较困难,需要在前端增加前置放大器。
2)随着将来QAM频道的增加,需要降低信号电平,否则会引起发射机过载,信号质量变差。
3)无论是现在提高发射机的每频道输入电平还是将来随着QAM频道的增加而降低每频道电平,都会引起光站的输出电平变化,进而引起用户电平的变化。整个电缆分配网电平需要重新调整。
鉴于这3点,笔者建议在平移后不通过提高每频道电平的方法来提高发射机的总功率,而是采用如下3种方法:
1)有条件的可将整个频段内的QAM频道布满,不用的频道不加调制。将来仅需开启调制,电平无需调整。
2)关闭的且频点未被替换的模拟调制器继续保留,仅关闭调制,载波继续输出。将来根据QAM频道的增加而逐一替换。
3)用1台(也可2台或3台,根据具体情况)替换下的模拟调制器,放在频段最高点,调高其输出电平,使其与正在使用的模拟和数字信号的合成总功率与平移前一致。其输出电平的计算及总合成功率的计算方法与上节计算方法一样,区别的仅是此时是3个信号的合成,即在用模拟信号、QAM信号和这个仅供调试用模拟载波信号。将来随着QAM频道的增加,仅需通过降低这个模拟载波电平来保持总功率不变。而这个输出电平较高的模拟载波,由于处在频段的最高点,其产生的寄生杂波不会影响到频段内正常使用的频道。如果有多台替换下的模拟调制器可被用来放在频段的最高处用作调试用信号,则每台调制器的输出电平可相应降低。
总而言之,上述3 种方法都是可使原来的模拟频道电平保持不变或很小的提高,从而无须对光站输出电平进行调整。图8 和图9 分别示意了上述方法1 和方法3。
数字信号 篇2
Digital Signal Processing —
Teaching Project
第一讲：信号的采集、基本DSP系统
Lecture 1 Conceptual introduction of DSP
了解技术背景、各种信号的特征、A/D转换、采样与量化、Nyquist 定理
一、连续信号的采样与量化
信号的分类与特点、模拟信号到离散信号的转换、Nyquist采样定理以及量化。
二、采样前后频谱的变化
模拟信号以及相应离散信号频谱之间的关系。
三、从采样信号恢复连续信号
如何从采样后的离散信号恢复模拟信号。
Questions:(1)What is the advantage of DSP ?(2)Why generally put a LPF and a amplifier before the A/D conversion ?
第二讲：离散信号的描述与基本运算、线性卷积
Lecture 2 Discrete signal: its description and computations
掌握离散信号的描述方法、典型信号的特征、信号之间的基本运算以及线性卷积 信号与系统分类
一、信号的分类
模拟信号、离散信号、数字信号
二、系统分类
模拟系统、离散系统、数字系统 连续时间信号的采样与量化 1 离散时间信号—序列
一、典型的序列
离散信号的时域描述；冲击信号、单位阶跃信号、指数信号、正弦信号等的描述。
二、序列的运算
信号序列之间的基本运算，能量的计算以及分解等。线性卷积
序列的线性卷积运算、具体步骤。
Questions:(1)What is absolute time for a time index n of x(n)?(2)In practical application, is determined signals such as sine need to be processed ? If not, what type of signal is we mostly faced ?
第三讲：系统的分类与描述
Lecture 3 Linear shift-invariant system and its description
掌握LSI、因果、稳定、FIR、IIR系统的特征；LSI的I/O描述；线性常系数差分方程；系统结构描述 离散时间系统一、离散时间系统的类型
线性系统、移不变系统、因果系统、稳定系统、IIR与FIR系统。
二、离散时间系统的描述
LSI系统的I/O关系（线性卷积形式）、差分方程描述。
Questions:(1)Which system description is mostly used in practical application, why ?(2)Can a IIR system be replaced by a FIR system ?
第四讲：Z变换与系统函数
Lecture 4 Z transform
掌握Z变换；系统函数以及零极点分析；系统函数与差分方程之间的转换 Z变换
一、Z变换的定义及其收敛域
双边Z变换、收敛域的概念、典型信号的Z变换；不同分布序列的收敛域特征。
二、逆变换
基本逆Z变换的定义、留数法以及幂级数法计算。
三、Z变换的性质
导数与极值等特性。离散时间系统的Z变换分析法
一、系统函数
系统函数定义；不同系统的系统函数特点；极点与零点的特性、与差分方程的关系等。
二、离散时间系统的信号流图描述
系统的结构框图、流图描述方法。
Questions:(1)why we need study Z transform, how important converge region is ?(2)why the condition for a causal stable LSI is that its converge region includes the unit circle ?
第五讲：离散信号的傅立叶变换
Lecture 5 Discrete time Fourier transform
掌握离散信号的傅立叶变换DTFT；频谱、幅度谱与相位谱；离散信号DTFT的特征 离散信号的傅立叶变换
一、离散信号傅立叶变换的定义
离散信号DTFT与IDTFT的定义，典型信号的DTFT计算。
二、离散信号的傅立叶变换与Z变换的关系
单位圆上的Z变换。离散信号傅立叶变换的特点
Questions:(1)What a point on magnitude spectrum states ?(2)What is relation between frequency components of a signal and the points of its spectrum curve ?
第六讲：系统频率响应与频谱关系
Lecture 6 System frequency response and spectrum relations
掌握LSI系统频率响应概念；零极点对频谱的影响；模拟信号频谱与对应离散信号频谱的关系。线性移不变系统的频率响应系统函数零极点与频率响应的关系离散信号频谱与模拟信号频谱之间的关系
一、离散时间傅立叶变换的导出
Questions: 从模拟信号以及频谱推导到离散信号的频谱。模拟信号频谱与对应离散信号频谱之间的关系。
二、DTFT与FT的关系 系统函数与频率响应的关系，零点和极点对系统频率响应的影响。由线性移不变系统对复指数信号的作用推导出系统的频率响应。对称、周期、卷积等特性，帕斯维尔（Parseval）定理。(1)What a point on magnitude frequency response states ?(2)What is response of a system to the points of spectrum of input signal ?
第七讲：频谱分析与应用
Lecture 7 Spectrum analysis and application
掌握频谱的基本信息特征；频谱分析的典型应用；短时谱分析的概念 频谱分析与应用
一、频谱的基本特征
通过复正弦信号的频谱说明DTFT的意义以及频谱分析的意义。
二、信号调制与语音合成
通信中AM调制与语音合成中频谱的应用。
二、短时频谱分析
Questions:(1)propose some examples of spectrum analysis in application(2)what is the influence of short time processing for spectrums ?
第八讲：周期信号的傅立叶级数表示
Lecture 8 Fourier series of periodical discrete signal
了解周期信号的DFS描述； DFS的频谱特征； 周期卷积 周期信号的离散傅立叶级数表示
一、离散傅立叶级数
周期信号的DFS定义及频谱分析。
二、周期卷积
从一个周期求和的线性卷积导出周期卷积。
第九讲：离散傅立叶变换 阐述实际应用中的频谱分析方法。Lecture 9 Discrete Fourier transform
掌握DFT；DFT的基本前提与特征；频率取样定理；DFT与DFS和DTFT的关系 离散傅立叶变换离散傅立叶变换特性
一、有限长特性与频域采样定理
描述DFT的时频有限长特性；DFT作为DTFT采样的频域采样定理。
二、循环卷积特性
Questions:(1)Why we need DFT ?(2)What is the difference between DFT and spectrum sampling ?
第十讲：短时离散傅立叶变换
Lecture 10 Short-time DFT
掌握循环卷积；STDFT的概念和实用意义；时间分辨率与频率分辨率 短时离散傅立叶变换分析
一、短时离散傅立叶变换的定义
非有限长信号的STDFT定义；STDFT与原始频谱之间的关系。
二、频率分辨率与时间分辨率
Questions:(1)why it is said, for non-stationary signal, short-time DFT is a unique selection ?(2)Is zero-padding enough for high frequency resolution ? 短时频谱的时间分辨率与频率分辨率，及其短时窗长的影响。有限长信号的循环卷积。DFT与IDFT的定义；DFT与短时谱；从DFT的信号完备恢复。
第十一讲：快速傅立叶变换与应用
Lecture 11 Fast Fourier transform ant application
掌握基2运算的FFT算法；了解FFT在信号处理中的应用 快速傅立叶变换
一、基于时选的快速傅立叶变换
时域实行奇偶分解的FFT算法。
二、基于频选的快速傅立叶变换快速傅立叶变换的应用
一、信号去噪与语音识别
谱相减方法的去噪处理；应用频谱特征的语音识别应用。
二、利用FFT计算线性卷积
线性卷积与循环卷积的关系；通过循环卷积与DFT的对应关系得到FFT计算线性卷积的方法。
Questions:(1)Is there any difference between DFT and FFT ?(2)Can you propose a new fast algorithm of DFT ?
第十二讲：数字滤波器类型与技术指标
Lecture 12 Digital filter type and technical parameters
了解IIR、FIR数字滤波器的结构特点；滤波器的设计技术指标；IIR数字滤波器的一般设计方法 数字滤波器的技术指标
频域实行奇偶分解的FFT算法。IFFT快速算法与FFT的关系。
三、傅立叶反变换的快速计算 通带、阻带、截止频率（3dB下降）、通带与阻带边界频率、阻带衰减。无限脉冲响应数字滤波器的结构模拟滤波器到数字滤波器的转换
一、脉冲响应不变法
从时域脉冲响应保持不变原理分析导出模拟滤波器到数字滤波器的转换。
二、双线性变换法
Questions:(1)how many technical parameters must be set for design of filter ?(2)what is advantages of bilinear transform ?
第十三讲：IIR数字滤波器的设计
Lecture 13 Design of IIR filter
掌握Butterworth、Chebyshev和椭圆滤波器的设计方法；脉冲响应设计法与双线性设计法； LPF与HPF、BPF、BSF的转换 IIR滤波器的特性
一、巴特沃兹滤波器
Butterworth滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。
二、切比雪夫滤波器 Chebyshev滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。
三、椭圆滤波器
椭圆滤波器的特点以及设计方法。IIR滤波器设计的频率变换方法 从克服模拟滤波器到数字滤波器转换过程中频率畸变的问题，导出双线性频率变换方法。直接Ⅰ与Ⅱ型结构；级联与并联结构；全通滤波器。
一、模拟低通滤波器到其它滤波器的变换
模拟低通滤波器转换到高通、带通、带阻滤波器的方法。
二、数字低通滤波器到其它滤波器的变换
Questions:(1)do you think Butterworth is much easier than others ?(2)what is a general steps for design of IIR filters ?
第十四讲：IIR滤波器的应用与系数量化效应
Lecture 14 Application and coefficient effects of IIR filter
了解IIR滤波器设计中的系数量化效应和实际应用 IIR滤波器实现与系数量化效应
一、IIR滤波器的实现
IIR滤波器的硬件与软件实现方法。
二、系数量化效应IIR滤波器应用
一、小循环阻抗容积信号处理
说明滤波器的具体应用与效果。
二、DTMF双音频信号的合成Questions:(1)Is it OK for use of IIR filter in image processing ?(2)Propose other IIR filter applications.介绍用一个IIR滤波器如何完成输出一个单频率信号。滤波器系数量化效应对性能的影响分析。数字低通滤波器转换到数字高通、带通、带阻滤波器的方法。第十五讲： 线性相位FIR滤波器及窗函数设计原理
Lecture 15 Linear phase FIR filter and principle of window method
掌握FIR滤波器的特点；线性相位概念、意义及其实现条件；FIR滤波器窗函数设计法原理。FIR数字滤波器的特点
一、基本特点
脉冲响应、差分方程、系统函数以及系统结构等方面的特点。
二、线性相位特点
线性相位概念、系统设计中的意义，举例说明。
三、线性相位FIR滤波器的实现条件
如何实现线性相位，不同奇偶点数的区别。窗函数设计法原理
一、窗函数设计法原理
从时域逼近角度分析导出窗函数设计法，说明失真的情况。
二、理想低通滤波器
Questions:(1)What is the importance of linear phase for a filter ?(2)Can IIR be realized as a linear phase filter, why ?
第十六讲：窗函数设计分析与实例
Lecture 16 Design analysis and examples of window method
掌握Hamming窗等5种基本窗函数的具体设计方法；特别是Kaiser窗设计实例 窗函数设计法分析
一、各种窗函数设计法 描述一个理想LPF的特点，特别是幅度特性。矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗、凯泽窗设计FIR的方法、特点。
二、窗函数设计法的进一步分析与总结
对窗长、窗的类型在设计中的影响做总结分析。利用凯泽窗设计FIR滤波器
一、低通滤波器设计
凯泽窗设计LPF的具体举例分析。
二、高通通滤波器设计
凯泽窗设计HPF的具体举例分析。
三、带通滤波器设计
凯泽窗设计BPF的具体举例分析。
四、带阻滤波器设计
凯泽窗设计BSF的具体举例分析。
Questions:(1)are you confident for design of FIR filter now ? why ?(2)If you are assigned to design a untypical filter, how can you do ?
第十七讲：频率取样设计与等波纹优化设计
Lecture 17 Frequency design and equal-ripple method of FIR filter design
掌握频率取样设计方法；等波纹优化设计方法 频率取样设计法
一、频率取样设计法原理
从频率抽样形成DFT频谱，并进一步得到有限长脉冲响应的思路介绍，说明其实际失真。
二、设计实例分析等波纹逼近优化设计方法
举例说明频率取样设计法的具体过程、从不成功设计到成功设计的转变思路与方法。
一、最小均方误差优化设计 LMS准则下的优化设计介绍。
二、等波纹逼近优化设计法
Questions:(1)which is more excellent as a method ?(2)why some points must be set in transition band ?
第十八讲：系数量化效应与FIR滤波器应用
Lecture 18 Application and coefficient effects of FIR filter
了解 FIR滤波器的系数量化效应以及实际应用 系数量化效应与溢出控制
一、系数量化效应
有限字长条件下滤波器系数的量化对频谱的影响，引起失真的情况。
二、溢出控制
怎样处理滤波器输出数据对D/A转换器或其他接收器的输入溢出问题。FIR滤波器应用
一、信号去噪
举例说明运用FIR实现限带噪声消除的实际应用。
二、信号的高频提升
Questions:(1)If to implement a FIR in a MCU, what should you consider ?(2)Propose some other application examples.最小误差意义下的频域的等波纹逼近，具体设计方法，MATLAB仿真设计举例。
数字信号处理课程教学探索 篇3
[关键词]数字信号处理；教学改革；学习积极性
[中图分类号] G423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）06-0163-03
一、引言
随着信息科学和计算技术的迅速发展，数字信号处理的地位和作用越来越突出。数字信号处理课程已成为电子、通讯专业的一门专业必修课，其内容主要涉及数字信号的变换和数字系统的设计两大部分，其中数字信号的变换主要包括序列的傅里叶变换（DTFT）、Z变换、离散傅里叶变换（DFT）及它的快速算法FFT，数字系统的设计主要包括无限脉冲响应（IIR）和有限脉冲响应（FIR）数字滤波器的设计。数字信号处理的先修课程主要有信号与系统、工程数学、复变函数、数字电路、MATLAB语言等。近年来，数字信号处理在无线电通信、数字电视、生物医学、机器人控制、手机等无线终端等等关键技术领域产生着日益重要的影响。但该课程以数理为基础，综合性、理论性强，学生普遍反映公式多、内容抽象、难度较大。本文从数字信号处理课程的自身特点出发，重点就如何提高学生的学习积极性进行了一系列思索，着力提高该课程的教学质量。
二、上好第一堂课，强调课程重要性
学生在第一次上每一门课时，对任课教师和课程内容都是抱有强烈的好奇心的，这就要求任课教师一定要把握好第一堂课，激发学生的学习热情。在讲述具体课程内容前，要对本门课程进行客观综合分析，给学生一个对该课程全面的认识。告诉学生“为什么学习这门课程，如何学习，以及它在实际生活中有什么用途”。数字信号处理是现代信号处理增长最快的领域， 在许多以数字化应用为主的领域都有广泛应用。任课教师应强调现在是数字时代，对数字信号处理的前沿领域，包括图像处理、语音音频、无线电通信、生物医学、移动电话、数字电视等进行介绍，以提高学生对该课程的兴趣，同时帮助他们更好的认识该课程的学习内容。现在学生都比较“务实”，甚至有些急功近利，对马上用得着（包括考研、找工作）的课程投入精力大，反之就比较松散。因此在第一节课时，可以告诉大家，对想继续读研的同学，数字信号处理是电子、通讯相关专业笔试/面试的必考课程；而对于毕业就想工作的同学，凭借熟练掌握数字信号处理相关技术可以在应聘中脱颖而出，激发同学们的学习热情。同时可以请同学们举一反三，说出更多数字信号处理相关的应用，使他们感到自己所学的东西就在人们的日常生活中，而不是遥不可及、虚无缥缈的。
三、多种教学手段并行
为了上好复杂的数字信号处理课程，我们需结合传统板书、多媒体课件教学、Matlab仿真、DSP开发以及多样化课后作业。传统板书容易控制授课节奏，有利于师生互动，不会给学生照本宣科的感觉，学生容易跟随老师的思路，学起来也相对轻松[1]，此外还有利于学生记笔记，因此在习题课和一些基本原理、基本方法的推导和证明中，以及一些逻辑较强需要深入讲解的知识点，教师应采用课堂板书形式，给学生足够的时间领会。但对于一些较抽象的概念以及复杂的图、表，用板书难以表达，则需要借助多媒体课件（PPT），化抽象为形象，化枯燥为生动，增加课堂信息量，使学生把重点放到加深对抽象概念的理解上[2]。需要注意的是，PPT有其片断性特点，PPT的不断翻页，非常容易打断学生的视觉感知，使得对知识点的认识也出现片断性；此外PPT放映速度一旦过快，学生思路没跟上，很容易产生堆积效应，造成学习进度跟不上。所以在PPT讲解过程中，教师速度一定要放慢，讲一行放一行，切不可把所有内容一次都放出来，否则容易误导学生去费劲地阅读PPT上的文字。现代多媒体教学手段与传统的板书教学相融合，可以让两种手段优势互补，其实际效果比单独使用其中任何一种都要好。此外，在课堂中引入Matlab仿真和DSP演示，可以加深学生对基本概念、理论的理解，可以使抽象的内容生动、直观，从而提高学生的学习兴趣，事半功倍[1]。由于该门课程概念抽象，公式繁多，学生若光凭在课堂上听老师讲解，会造成似懂非懂，听完即忘的现象出现，因此每次课后教师需要给学生布置适量的课后习题加以练习，巩固所学知识。除此之外，任课教师还应找一些科普读物供学生课后阅读，比如知乎专栏上的“傅里叶分析之掐死教程”，这样不仅增加了学习的趣味性，也有利于学生对所学知识的理解。
四、教学互动，杜绝填鸭式课堂
在实际教学中，教师要善于站在学生的立场上，找到学习每个知识的最好切入点。课堂上加强与学生互动，让学生主动思考，积极参与到课堂里来，避免填鸭式教学。如在讲“用DFT对信号进行谱分析”时，可以从物理含义（公式）角度出发，对之前所有的傅里叶变换进行一个总结，先给出图1的第一行5个变量，让学生回答从左至右两两变量之间经过的是什么变换处理；然后看第一行每个变量进行各种傅里叶变换后的结果是什么？（得到底下一行的值）；最后看底下一行两两之间的关系。经过这样的课堂提问，可以让学生主动对以前知识进行查漏补缺，比教师直接对着图1进行解释讲解效果好得多。通过课堂提问与课后作业批改，教师能及时检验学生的学习效果，据此再在教学中作适当调整，这样有利于教师学生的双向交流，提高学生的学习效率。
五、加强实验教学
实践教学应本着“知识-能力-素质”协调发展的教育理念，鼓励学生通过实验、实践去探求新知，切实提高学生综合运用知识解决实际问题的能力，培养学生的创新意识。目前， 国内外针对数字信号处理这门课程的改革， 主要沿着两条途径[3]： 一是使用MATLAB 等工具软件， 实现算法仿真； 另一途径就是引入DSP 器件， 对算法进行实现， 特别是实时实现。针对我校学生的实际情况，本门课程主要和“草稿纸”式的语言MATLAB结合[4]，包括1）教学过程中，MATLAB演示覆盖了绝大部分教学内容，包括傅里叶分析、卷积运算、滤波器设计等，还适当引入了MATLAB处理信号的实例，如对音频信号的处理等，激发学生的学习兴趣；2）实验课，针对理论知识点的内容，主要完成五个基本实验[5]，包括系统响应及系统稳定性、时域采样与频域采样、用FFT对信号作频谱分析、IIR数字滤波器设计及软件实现、FIR数字滤波器设计与软件实现。这些实验对难理解的课堂内容，起了非常好的帮助作用。对于所涉及的实验教学内容，任课教师可以给出相应的参考程序，让学生将精力放在计算结果的分析上，突出对实验结果背后隐藏的“物理意义”的理解。明白实验的目的是帮助深入理解课堂知识，而不是编程能力的提高。除了课堂教学，学生如果在实验过程中发现对某个实验感兴趣，任课老师应当鼓励并帮助其进行深入研究，以此作为大四的毕业设计内容均可。
六、完善考试模式
考核是人才培养过程中一个不可缺少的环节，以往本门课程的成绩考核采取传统“3+7”模式，即由平时表现（包括考勤、作业）占30%、期末笔试成绩占70%综合计算。这样的考核方式简单易操作，但这也是一些学生不重视实验、不注重如何应用所学知识解决实际问题的原因之一，结果造成理论联系实际和解决实际问题的能力差[2]。完善化考试模式，学生所有的学习， 包括实验实践环节的MATLAB上机考试、课程设计以及参与学习的过程都要进行考核， 改变过去重视理论知识，忽视实践能力的做法，能极大地强化学生的自主学习能力及动手实践能力。
七、提高教师素养，高度提炼知识点
以上五点都是从教学手段出发，着重从学生积极性的培养来考虑课程改革。还有非常关键的一点，就是对我们任课教师的要求：一方面，在这个知识爆炸的时代，教师必须对学科前沿知识有敏锐的洞察力，形成宽广而深厚的知识视野，这样才能站得高，看得远，将教材上那些抽象深奥的理论通俗易懂形象地讲授给学生；另一方面，也是最基本的，必须对所讲内容高度熟悉，能帮助学生提炼知识点，抓住问题的关键。如在讲DFT的时候，因为它不符合根据傅里叶变换的一般规律：1）信号在时域、频域某一个域的离散，均会导致在另一个域周期；2）信号在一个域有限长，就会导致在另一个域无限宽。这个时候，一定要将DFT的原理（它与DFS的关系）给学生讲述清楚。有限长序列x（n）的N点DFT的实质如图2所示：
这个概念非常重要，DFT的性质大都与此有关。比如有限长序列DFT的隐含周期性，也可由X（k）与x（n）的周期延拓序列的DFS系数的关系得出。至于从x（n）求X（k），或已知X（k）求x（n）则是用定义式直接进行的，并不需要通过和。类似这些关键的知识点，任课教师一定要在讲述DFT的性质之前给学生讲明白，不然越往后学，学生就越是一头雾水，跟不上课堂进度。
八、 结语
教学质量是大学的生命线，如何提高教学质量是每位教师永远的课题。本文根据“数字信号处理”的课程特点和学生的实际情况，从1）上好第一堂课，强调本门课程的学习意义，2）传统板书、多媒体课件、MATLAB实践等多种教学手段并行提高学习效果，3）课堂互动，杜绝填鸭式教学，4）加强实验教学，理论实践齐头并进，5）完善考核方法，激发学生学习积极性，6）加强教师素养，帮助学生理解课程内容等六个方面，对本门课程的教学改革进行了一系列思索，力图激发学生对该门课程的学习兴趣，提高教学质量。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王学渊，侯毅. 再谈“数字信号处理”的教学改革[J]. 电脑知识与技术，2012：7541-7545.
[2] 蒋先梅. 数字信号处理课程教学改革的探讨[J]. 考试周刊，2011：15-17.
[3] 沈媛媛.基于Matlab的数字信号处理综合性实验设计[J].实验室研究与探索，2009：60-73.
[4] 胡学友，王颖，胡云龙.“数字信号处理”教学改革与实践[J].高教论坛，2007：67-69.
[5] 丁玉美，高西全.数字信号处理（第2版）[M].西安：电子科技大学出版社，2001.
数字信号 篇4
各种千变万化的物理量存在于自然界中, 但就其规律变化不外乎两大类。其中在时间和数值上均作连续变化的一类物理量, 如收音机、电视机接收的视频信号, 音频信号, 处在正常情况下它们的电压信号都是随时间作连续变化一般不会发生突变。这种称为模拟量的物理量, 把表示模拟量的信号叫做模拟信号。语音信号、典型的模拟信号就是正弦波信号。产生、传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路。
1 数字信号和数字电路
一类在时间和数值上均作为断续变化的物理量, 这就是说它们的变化在时间和数值上是不连续的, 离散的。如同工厂库房里的元器件的数量、或操场上的人数等, 它们的数量增减的变化和大小都是以最小单位“1”的整倍数, 如果小于“1”的这个最小单位的数值是没有物理意义的。象这种物理量称为数字量, 把代表数字量的信号称为数字信号。矩形波、最典型的数字信号就是方波信号。
数字信号通常被称为离散信号, 脉冲信号, 一般来说数字信号它有电位型和脉冲型两种, 它在两个稳定的状态之间作阶跃式变化, 用高低两个电位信号表示数字“1”和“0”是电位型表示法, 而脉中型表示法是用有无脉冲表示数字“1”和“0”。产生、传送、处理、变换、存储数字信号的电路叫做数字电路。数字电路包括数字电路脉冲电路两大部份, 因此, 数字电路又称为脉冲数字电路。其中脉冲电路主要研究脉冲信号的产生和变换及处理。
数字信号也是一种电信号, 但是这种电压的幅值只在两种情况之间跳动变化, 即高电压和低电压。那么, 这个高电压与低电压具体是多少呢?这要看每个电路的规定。一般来说, 高电压与电路的供电电压接近, 低电压与O就表示0。如果一个电路的信号满足以上特征, 则它就是一个数字电路[1]。
2 数字电路的分类及其特点
2.1 数字电路的分类
1) 按结构分, 分为立元件电路和集成电路两类;将每个基本元器件如电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等用导线连接起来的电路为分立元电路。把各个基本元器件及它们之间的连线制作在一块基片上, 再按一定的包装形式进行封装, 提供给用户。用户在使用时, 通过外部管脚来利用芯片内部电路这种形式的电路称集成电路。集成电路按照一个基片上集成的基本元器件的数量多少可分为大小规模的集成电路, 如每块电路大约包含10~100个基本元器件, 则为小规模集成电路 (Small Scale Integraed Circuits, SSIC) , 如各种逻辑门电路、集成触发器等;如每块电路大约包含100~1000个基本元器件, 则可称为中规模集成电路 (Middle Scale Integraed Circuits, MSIC) , 如编码器、计数器、寄存器等;如其每块电路大约包含1 000~10 000个基本无器件, 则可称之为大规模集成电路 (Large Scale Integraed Circuits, LSIC) , 如存储器、串并接口电路、中央控制器等;如果每块电路大约包含10 000个以上的基本元器件, 则可称之为超大规模集成电 (Very Large Scale Integraed Circuits, VLSIC) 如各种微处理器等。
2) 按数字电路的半导体器件的构成来分, 可分为单极性电路和双极性电路两类, 工作时内部有两种载流子的二极管和三极管, 所以称为双极性半导体器件。靠导电沟道工作的场效应管, 称为单极性半导体器件。双极性集成电路是以双极性管为基本器件, 如TTL电路、ECL电路、I2L电路。单极性集成电路是以单极性管为基本器件的集成电路, 如NMOS电路、PMOS电路、CMOS电路。
3) 记忆工能的电路来分, 可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路;时序逻辑电路在任意时刻的输出不仅取决于电路当前的输入, 而且与电路过去的状态有关, 如触发器、寄存器、计数器等, 这些集成电路都为时序电路, 它们可以“记忆”过去的输入。组合逻辑电路在任意时刻的输出仅取决于电路当前的输入, 而与电路的过去状态无关。如译码器、编码器、全加器、数据选择器等, 它们的特点是不能“记忆”过去的输入[2]。
2.2 数字电路的特点
数字电路相对模拟电路而言主要具有以下优点:
1) 数字电路不但能完成 (加、减、乘、除) 的运算, 而且还能够完成 (与、或、非等) 逻辑运算, 这在控制系统中是必不可少的, 所以人们常所数字电路也称为数字逻辑电路。2) 数字电路中, 不论是逻辑运算还是算术运算, 其们号代码只有“0”和“1”两种, 电路的基本单元比较简单, 也方便集成和批量生产和制造。随着工艺的飞速发展和半导体技术, 数字电路就是数字集成电路。集成电路的批量生产成本低, 使用方便。3) 由数字电路组成的数字系统, 只有高低两种电平的工作信号, 所以半导体的数字电路一般工作在导通和截止这两种开关状态, 功耗低, 搞干扰性强, 稳定性好, 可靠性高。4) 保密性好。可以对数字信号进行加密处理的数字电路, 在传输过程中不易被窃取信号。5) 通用性强。通常采用数字集成电路组成的数字电路系统, 它具有较强的通用性特点。
3 结语
在数字电路设计中, 信号反射的完整性问题往往对整个系统的性能造成许多难以预料的影响。因此对数字信号和数字电路的分析是个举足轻重的问题, 只有解决好这个问题, 系统才能准确、稳定地工作。
参考文献
[1]张建国.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007.
课程教学的数字信号论文 篇5
教学中要注重教学方法和手段的推陈出新，充分调动学生的积极性和创造性，强调基本概念和原理的正确理解，教学中应特别注意以下几个方面。
(一)优化教学方法上好“绪论”课，以知识的应用提升学生学习兴趣。目前，有相当一部分学生“信号与系统”学得不好，主要原因是学习积极性不高，看到满篇的公式就害怕，由此对课程学习失去信心。针对这种情况，教师要在提高学生学习兴趣和主动性方面下功夫。教师需用启发式教学取代以教师、课堂、课本为中心的灌输式教学。可利用“绪论”课激发学生学习热情:利用多媒体着重介绍数字信号处理在通信、语音和图像处理等领域的应用实例，如，手机的DSP芯片、门禁系统、心电信号滤波、数字图像处理、视频监控、微信等，让学生明白该课程的重要性及其应用领域，提升学生对数字信号处理的兴趣与学习积极性。在教学过程中灵活设置教学情境，增加互动环节，多做一些设计性实验，拓展思维、增强信心。淡化公式推导，着重强调概念的物理意义和联系。由于教材中大部分定理和结论是通过推导得出的，一些学生过于注重公式推导或证明。其实，授课时只需详细推导典型公式，把一些重要的公式讲清楚，类似的内容可让学生课后自学。课堂上教师要尽可能淡化推导和解题技巧，强调所得出结论的物理意义和工程应用，将抽样、频谱分析、滤波等工程应用案例穿插于理论教学中，让工程应用成为“数字信号处理”教学中的主线，做到数学概念、物理意义、工程应用三者并重，［4］提高学生学习这门课程的兴趣，增强学习的目的性和主动性。突出重难点，灵活采用多种教学方法。教学过程中分清主次，重难点内容重点讲、详细讲，较简单的或应用不多的内容则少讲或让学生自学。教师根据教学内容灵活选取不同的教学方法，如案例法、比喻法、对比法等，［5］通过分析和归纳总结的方式优化教学方法，分解复杂问题。如，讲授线性卷积时，将待卷积的两个序列看作站成两排等待领导接见的群众，而卷积运算过程相当于领导和所接见群众依次握手的过程。教师要善于运用幽默形象的语言和高超的艺术，把抽象而枯燥无味的知识变得生动有趣。巧用对比法。对比法能潜移默化地引导学生将相近或相似的概念和方法进行小结、比较和分析，不仅能更好地理解不同内容之间的共性和个性，而且能够培养发散思维能力，提高学习效率，如图2，将ZT、DFS、DTFT、DFT几种变换通过图表来比较，清晰地展现常见变量间的关系，避免混淆。为了让学生对所学知识之间的联系、用途有清晰的认识，可利用“知识树”的形式把每个章节的重点层层分解，将所学知识点和应用联系起来，便于归纳和总结(如图2)。讲解IIR和FIR滤波器设计时，先向学生讲清为什么要设计数字滤波器、有哪些应用、设计数字滤波器需要用到哪些知识。这样，学生会自然而然地把所学知识点联系起来。关注师生交流和信息反馈，重视因材施教。教师要根据不同专业和学生基础等方面的差异，在讲课方式和侧重点上有所区别。教师要及时掌握学生的学习动态，调整教学内容和方法，帮扶“学困生”，提升“优等生”。
(二)改革课堂教学模式传统与现代教学手段并用。运用多媒体教学能使抽象难懂的教学内容形象化、直观化，提高教学效率。［6］但在实际的“数字信号处理”课程教学中，过多地采用多媒体教学，教学效果并不理想。课堂中灵活运用黑板板书、多媒体课件、Matlab或LabView软件演示，可增强师生互动。［7］难一点的公式推导和证明，仍然采用传统板书方式教学，尽量放慢讲课节奏，留给学生充裕的思考时间，达到深刻理解的目的。对于比较抽象的概念、原理或结论，如信号采样及恢复、频谱分析、循环卷积等，可借助多媒体技术将教学内容生动、形象、高效地展示在学生面前，让学生更清晰地理解其物理意义。建设网络或视频资源共享平台也可避免多媒体教学课堂容量大、教学内容难消化的问题。课后，让学生登陆网络课程，弥补大班教学人数过多造成的师生沟通不便、信息反馈通道不畅的问题;通过网络答疑、讨论和激励制度激发学生学习兴趣和主动参与性。建立“学习共同体”教学模式。“学习共同体”是指由学习者及助学者(包括教师、专家、辅导员等)共同构成的团体。［8］共同体成员在学习过程中经常沟通、交流，分享学习资源，共同完成特定学习任务，形成相互影响、相互促进的学习组织。在大班教学中建立学习共同体，在课堂教学中形成师生互教、互学的互动关系，教师在教学过程中给学生自主学习的空间，学生根据所接受的任务去发现、思考和解决问题，增进协作和互动，激发学习主动性，从而改善课堂教学效果，提高学习效率。
(三)强化实践教学，高度重视学生实践能力的`培养应用型人才培养应始终坚持理论与实践并重的原则。理论教学只是学习该门课程的一部分，将所学理论知识应用于实践，才能达到学以致用的目的。为此，必须加强实践教学环节。运用仿真软件教学。仿真软件Matlab和Labview以其编程和调试简单、代码短、效率高等特点深受广大教学和科研人员的欢迎，［9］广泛应用于控制系统、系统仿真等领域。结合几年来“数字信号处理”课程的授课经验，在课程中引入Matlab和Labview软件，让学生动手完成系统设计和仿真，拓展实验教学的深度和广度，有助于增强学生学习成就感，培养学生的创新能力和设计能力。CCS是TI公司推出的DSP软件集成开发环境，它运用图形接口界面，提供工程管理和编辑工具。教师可以用2学时介绍DSP结构、开发环境、DSP系列及其应用实例。通过了解DSP仿真软件CCS，为后续的DSP课程设计教学奠定基础。优化实验教学内容和改革实验教学手段，加强教学内容和工程应用的融合。“数字信号处理”教学应坚持以实践性和应用性为教学目的，分层设计实验，优化实验内容，尽量减少验证性实验，增加综合性、设计性、创新性、开放性实验教学内容。革除填鸭式教学，开展“项目导向、任务驱动、案例教学”的教学模式，结合学生情况，创设情境，教师提出任务，学生边学边练，完成自主学习任务，充分培养学生的再学习和主动学习的能力。［10］针对每一章的具体内容，在讲授理论知识之前先给学生一个具体的工程应用例子，提出问题，引导学生积极开动脑筋，督促学生课后以小组为单位主动查找相关资料，提出解决问题的方法和思路。如，在讲授数字滤波器之前，教师可设计数字滤波器对心电信号进行去噪处理。同时，教师可以电子设计大赛等学科竞赛为契机，以毕业设计为导向，有意识地引导学生进行创新性课题的研究，深入掌握信号处理理论，增强工程应用能力和团队合作精神，做到学以致用。
二、考核方式的改革
数字信号处理网络课程建设探析 篇6
关键词：数字信号处理网络课程课程建设
中图分类号：G642文献标识码：A 文章编号：1673-9795(2012)01(b)-0000-00
随着现代网络信息技术（Internet）的发展及其在教学中的普及应用，网络学习已成为信息社会重要的学习方式之一，各个高校开始通过网络教学来提高教学效果。网络教学作为一种新的教学模式，是实现高等教育大众化、现在化、终身化和国际化的必然途径。为培养高素质的新型军事人才，推动院校现代化教学，提高数字信号处理教学质量，数字信号处理成为我院网络课程重点建设课程之一。
1 数字信号处理网络课程的功能模块
网络课程[1]，顾名思义就是用于网络教育的课程，因此既要考虑课程的一般特性，又要考虑作为网络教学的特性。网络课程首先要考虑到教学信息的传播方式发生了改变，其次还要考虑由此而产生的教育理念、教育模式、教学方法等的改变。因此网络课程涉及到了与教学活动相关的一切因素，如探究性学习的基本过程，学生的自主性和交互性等。
数字信号处理网络课程依军队院校网络教学应用系统[2]为依托，结合数字信号处理课程特点，建设成为结构模块化、交互协作性好、资源丰富的开放式网络课程。军队院校网络教学应用系统具有资源分类统一规范，教学应用功能强大，制作工具丰富，分级管理等特点，系统分为两个层次：信息资源层和教学应用层。信息资源层主要提供教材、素材、视频、案例、个性收藏、习题、试题等丰富的教学资源。在教学应用层，教师利用系统可以进行课堂教学、实时教学、讨论交流、解答问题、作业布置评阅、考试评阅、效果分析、题库管理等教学活动，学生利用系统可以进行自主学习、实时学习、协作学习和提问、作业、测验等学习活动。
数字信号处理网络课程功能模块设计达到了资源共享、时空不限、多向互动、便于合作的网络教学的目的。它满足了教育教学服务属性的本质需求，网络课程和网络实训平台全天运转，成为师生互动和情境生成与再造的稳定媒介，拓展教与学的时间与空间，实现远程交互，提高学生自学兴趣和教学过程与管理的无人化及无纸化程度，使教学服务具有可储存性和可分离性。同时网络课程本身注重教学方法改革，积极创造自主式学习、发现式学习和协作式学习的环境，提高教师和学生制造和使用信息的能力，包括计算机操作能力、电子课件开发利用能力和网络教学资源获取能力，培养学生在信息化社会中的学习素养。
2 数字信号处理网络课程教学内容的建设
数字信号处理网络课程的内容包括教学设计、教学大纲、课程教案、纸质教材、教学法、课程管理规程、学习内容及导航、音像课堂、模拟实训、学习自测、在线答疑、考试系统、网络资源和学习论坛等模块，构成了网络环境中的教学内容和教学活动与手段。它可以成为面授的辅助支持手段，也可以作为导、教、学、训、考的独立教学系统。作为独立的在线教学活动，数字信号处理网络课程具有内容的针对性和变动组合性、服务提供的持久性和利用方式的便利性等特点，也可以为学习者提供完整的远程教学过程。
数字信号处理网络课程的教学内容呈现形式为：网络教材、电子教案、讲授教材、电子讲义及各个章节相关的MATLAB程序。
(1)网络教材。网络教材的建设是将教学课堂的普通教材以Web页面形式在虚拟教室中呈现，方便学生在线阅读学习，教师可以充分利用计算机网络优势将纸张教材里抽象的定理、试验以动画演示的形式表现出来，为数字信号处理课程的学习增加可视性、趣味性，使抽象的定理更加生动、容易理解和接受。网络教材以简洁、美观、友好界面面向学生，增加教材的生动性，动画演示可以根据学生实际学习需要进行实时演示和隐藏，增加了网络教材灵活性和互动性。
(2)讲授教材。讲授教材是教师在特定搭建平台上，对所讲内容经过严密的组织和规划，详尽细致地对数字信号处理的章节内容进行讲授，由于讲授教材是教师首先编写脚本，组织思路，所以教学内容重点突出，难点解释清楚。数字信号处理网络课程的讲授教材是利用Microsoft Producer软件工具编制而成，集图文、声音和影像为一体多媒体网络授课形式。
(3)电子教案。数字信号处理网络课程中的电子教案是将课堂教材以幻灯片的形式呈现，方便学生随时下載学习。电子教案的建设依照对课堂教材去繁从简、条理清晰、重点突出和图文并茂原则，用动画的形式对数字信号处理的基本理论、定理及实验作出解释。
(4)电子讲义。数字信号处理网络课程的电子讲义是将数字信号处理课程的内容以word的形式呈现，电子讲义更多的是体现教师在课堂讲授中的内容及相关的信息，体现教师教学过程中的课堂教学进程安排、板书设计、重点及难点分析，有教学内容、方法、手段的设计，当然更多的是教学内容的体现。电子讲义依据数字信号处理课程的教学内容及重点、难点编写，它是教师教学和学生学习的重要指导和参考。
(5)MATLAB程序。数字信号处理课程特点是理论复杂，几乎满篇都是数学公式和数学符号，内容抽象，所以在理论学习的同时配合适当的上机实验，利用MATLAB来完成实际信号处理任务，加深对数字信号处理概念的理解和应用。例如，可以利用MATLAB的有关m文件生成各种类型的信号，实际完成一个信号频谱的分析，并了解其坐标轴的含义；实际去分析一个系统，求出并画出它的幅频特性和相频特性；实际去设计一个滤波器，并利用它去对含有噪声的信号进行滤波，等等。MATLAB程序中的源代码配合各个章节例题和作业，并有相应的实验结果。
数字信号处理网络课程教学内容模块的建设，是学生独立进行网络学习的重要依据。它是数字信号处理网络课程建设中重要环节，完善整个网络课程的建设，还有教学组织和教学评价模块的建设，不再一一详述。
3 存在的问题与不足
数字信号网络课程虽然初步建成，但是在网站建设、模块结构、开发和应用方面都存在些许不足， 譬如模块定位不清、监督机制不足、建设团队配比不均、网络课程利用率不够高等。因此，为实现优质数字信号处理网络课程教学资源共享，数字信号网络课程需进一步加强建设与管理。
参考文献
[1] 曹生林.网络课程探究.专题探讨.
[2] 秦俊奇.网络教学应用系统实用教程.海潮出版社.2005,10.
数字电视信号传输技术 篇7
数字电视信号传输概述
数字电视信号的传输是指信源发出的模拟信号经过数字终端的信源编码成为数字信号, 终端发出的数字信号, 经过信道编码变成适合于信道传输的数字信号, 然后由调制器把信号调制到系统所使用的数字信道上, 再传输到对端, 经过相反的变换最终传送到信宿。数字电视信号的传输需要某种传输媒介来实现。在大多数情况下传输码流是不能直接通过传输信道进行传输的, 必须经过某种转换, 使之变成适合在规定信道中传输的码流。
在我国, 最为常用的电视传输网络模式为有线电视网络, 我国有线电视HFC网带宽多在450M以上, 750M和1G的网络正在快速发展。这类网络可以传输数十套模拟节目或数百套数字电视节目, 可提供观众广泛的收视选择。由于有线电视是个封闭的系统, 电视信号在光缆、电缆里传送, 避免了干扰, 同时信号强度较为一致, 收看质量很好。在有线网进行了双向改造之后, 还可以开展多种综合业务。与无线电视相比, 有线电视运营、管理、维护费用也较低, 并可开展收费服务, 未来有线电视对无线电视的替代仍将继续。
数字电视信号中的传输标准
数字电视技术最先出现在欧洲。从20世纪80年代开始, 欧洲几个电视技术较为先进的国家, 如德国、法国、英国, 都开始研究数字电视技术, 并且诞生了MAC1/MAC2/MAC3 (模拟分量时复用传输技术) 等三代数字卫星电视节目广播, 当时数字技术已经很先进。1995年9月15日, 美国正式通过ATSC数字电视国家标准。1996年4月, 法国第一个开始了数字电视商业广播, 全世界的数字电视广播迅猛发展, 其中尤以DVB-S广播技术的应用发展最为普及。2012年2月, 我国地面数字电视传输标准DTMB得到国际电信联盟 (ITU) 的通过, 正式成为继美、欧、日之后的一个数字电视国际标准。 (表1给出了ATSC、DVB、ISDB和DTMB对比数据) 。
数字电视信号传输技术简介
1.SDH (Synchronous Digita Hierarchy, 同步数字体系) 技术
该技术也是一种光纤传输体制, 它以同步传送模块 (STM-1, 155Mbit/s) 为基本概念, 其模块由信息净负荷 (payload) 、段开销 (SOH) 、管理单元指针 (AU) 构成, 其突出特点是利用虚容器方式兼容各种PDH体系。它有全世界统一的网络节点接口和一套标准化的信息结构等级, 具有丰富的开销比特专用于网络的维护管理, 采用同步复用结构并具有横向兼容性, 因而能够灵活动态地适应任何业务和网络的变化, 是一种理想的新一代传输体制。自从1988年SDH成为世界性标准以来, ITU-T已经颁布了涉及网络、设备、接口、性能、同步、保护和网管等一套15个建议, 而且日臻趋于完善。目前, SDH已成为公认的未来信息高速公路的主要物理传送平台。表2给出了该技术的特点。
2.3G技术
3G是第三代移动通信的简称, 是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息, 速率一般在几百kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统, 目前3G存在四种标准:CDMA2000, WCDMA, TD-SCDMA, Wi MAX。。CDMA (Code Division Multiple Access, 码分多址) 是第三代移动通信技术的技术基础, 是指不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或者时隙不同, 而是用各自不同的编码序列来区分, 或者说是靠不同的波形来区分。
3G技术为我们带了较高的带宽, 利用这个带宽可以把电视信号进行合理有效的压缩编码得到一个合适的码流, 利用通讯运营商的服务来进行电视信号的传输。图1给出了使用3G技术进行电视信号传输的流程图。
电视信号的3G传输相对于传统的传输手段, 主要优点有: (1) 信号传输了实现了无线可移动; (2) 不受时间、空间限制、无需预约; (3) 传输设备简单, 使用方便; (4) 费用低廉。
数字信号处理应用综述 篇8
对宽带数字和信号的处理, 有数据采集和信息处理两大部分。其中数据采集进行信号处理的前提, 是后期对信号进行处理时必须先要完成的阶段和过程。而对于所采集的数据进行处理, 可以实现很多不同的功能, 本文仅对当前常用的数字天线、数字信号的干扰和数字侦察等方面加以分析和介绍。
1.1 宽带信号采集
宽带信号的采集就是指在对输入的信号在中频波段附近加以数字量化, 最常用的方法是借助模数变换器, 这又可以简称为ADC。根据奈奎斯特的定理可以知道, 要想不至于发生因信号的频率重叠而产生模糊或失真, ADC在输入时的带宽一定要不大于采样频率的1/2倍。在工程应用中, 采样频率的值一般为带宽值的2.3倍左右。当ADC的值增加时, 输入带宽的瞬时值则也可以适当有所提高。
对于宽带采集的方法, 最常用的有3种:一是ADC高速采样;二是利用示波器进行采样;三是借助于光采样。其中, ADC高速采样是通过若干个并行的比较器实现输入信号的离散化, ADC的位数 (b) 和比较器数量 (Ⅳ) 的倍数是N=2。为了使实现的难度降低, 一般要采用级联方式, 以便获得较大的ADC位数。例如, 当ADC为8位时, 需要的比较器的个数为256, 而如果采用2个4位的ADC进行级联, 形成一个8位ADC时, 就可以把比较器的个数减少为32。一般说来, 与高速率采样相比, 低速率采样要容易得多。当采样位数和频率增加时, 在硬件角度上实现的难度就会增大。
1.2 宽带数字侦收技术
所谓数字宽带侦收, 其目标是为了准时或实时对输入数据进行处理, 对所采用的处理算法来说, 最重要的计算速度问题。利用改进算法来提高处理数据速度的方法大体有以下几种: (1) 把大数据率变换成小数据率, 例如数字信道化的形式等; (2) 实现快速化的信号处理和算法, 例如快速FFT方法等。在数字信道化中, 当信道的个数是M时, 那么单个子信道的数据率值就降为先前的1/M, 这样, 就为输入数据的准时或实时处理和计算提供了充足的时间, 可是, 当每一个信道都要加以关注时, 就要对各个信道进行并行处理, 就会在硬件的设计方面增加难度。在工程应用中, 一般是将全部接收的信号利用编码技术, 折合到一部分信道内, 从而不去对所有的信道进行关注。对于N点的FFT, 在运算时, 可以把呈离散状态的FFT的N 2次复数乘法减少到 (N/2) log2N次, 当N较大时, 就会使运算速度明显提高。
1.3 宽带数字射频存储技术
当需要对相参雷达实施数字储频式干扰时, 要是不能把频域内出现的全部信息加以保存, 就难以对其进行精确地复制, 从而不能实施有效的干扰。而宽带数字射频, 又称为RF, 则可以实现把频域内出现的全部信息进行存储这一功能。其步骤如下:首先, 把输入的信号变换为中频信号, 通过快速的A/D变换, 成为数字式信号, 然后再写入相对高速的存储器, 同时实施干扰调制。如果需要把这种信号重新发布时, 就可以方便地通过控制器读出, 然后再通过高速D/A技术, 转换为相应的模拟信号, 得到适合射频的输出信号, 从而完成存储和转发整个过程。
宽带数字射频存储技术, 又称作DRFM。其主要功能是依据需要, 利用存储的数据实施干扰调制, 然后把调制好的数据借助于高速D/A技术, 再转换成相应的干扰模拟信号, 从而可以实现在距离、速度两个方面的波门拖引, 设置假目标进行欺骗等方面的干扰作用。为了使这种干扰更加有效, 采用的瞬时带宽要大于雷达信号的带宽。瞬时带宽的值, 决定了正常工作时的ADC速率以及DAC速率, 这种速率越高, 对存储器在存储方面的要求就越高, 导致对其体积和功耗就越大, 成本也就相应地越高。
2 宽带数字处理应用于电子战的途径
宽带可以改善雷达在距离上的分辨能力;可以增加在通信时传输信息的容量;在现代电子战中, 宽带还有更多的应用, 例如, 友军的电子支援, 敌我双方的电子对抗, 都是最常用的途径和手段。
在电子战中, 宽带和灵敏度之间存在着一种矛盾。对于灵敏度, 可以利用如下公式进行计算。
式中:F为噪声系数;B为接收带宽;D为识别系数。
从公式可以看出, 在其余参数不变时带宽增大, 灵敏度就要降低。当接收带宽条件不变时, 可以借助以下两处方法提高其灵敏度:缩小噪声系数, 减少识别系数。对于前者, 没有多少潜力可以挖掘, 相应地, 减少识别系数就成为最常用的方法。
3 发展趋势
在现代电子战中, 对宽带数字和信号的处理技术越来越重要, 在各个军事领域中都有重要的作用, 其中以下方面将成为在今后一个时期内的重要发展方向。在工程应用中, 宽带和数据的传输、存储和实时处理的速度方面存在着一定的矛盾, 为了解决这一问题, 需要对信号的电光转换和处理进行大力的研究, 才能有所突破。因为利用光信号处理, 可以使瞬时带宽加大, 加快处理的速度, 比如, 利用透镜就可以实现FFT, 其计算的时间甚至可以完全忽略不计。
4 结语
在现代电子战中, 宽带数字式信号的处理是必不要少的方式。本文对于宽带技术中的信号采集、信号侦收、数字天线、信号储频等几个方面的内容进行了简单的分析, 论述了常用的关键技术以及发展趋势, 能够为宽带工程技术人员提供相应的参考。
参考文献
[1]徐海源, 周一宇, 冯道旺.滑动DFT在宽带数字接收机中的应用[J].现代雷达, 2007, 29 (9) .
[2]祁雪梅, 潘冬明.LabVIEW在数字信号处理教学中的应用[J].现代电子技术, 2006 (14) .
数字信号 篇9
一、生物医学信号的提取滤波
1、常规滤波。
噪声与信号的结合方式对滤波的处理方式有个根本性的影响。通常情况下将信号看作是噪声与信号本身两者的加法性结合, 即接收到的信号a (t) =信号x (t) +噪声n (t) .如果两者频谱不混叠或者交叠范围很小, 那么用常规的滤波器就可以取得很好的效果。最常用的是频域滤波法。频域滤波器分为两类:线性相位FIR数字滤波器, 它的设计方法主要有窗函数法, 频率采样法等。还有一种是IIR滤波器, 它的主要设计方法为脉冲响应不变法和双线性变换设计法。但这种方法的前提是信号的频率是已知的。
2、相干平均法。
相干平均法是提高信噪比的一种叠加平均法, 在医学研究中也叫平均诱发反应法, 简称AEV方法。AEV方法是可保证信号不失真从噪声中分离出信号的数字技术。它的原理是信号平均将重叠的时间位置求和。若信号的时间位子十分一致, 则信号将直接组合在一起, 另一方面, 无关联的噪声被平均, 从而信噪比得到提高。AEV方法常用来检测医学微弱的生物医学信号, 如希氏束电图, 脑电图等。该方法要求噪声是随机的, 并且协方差为零。信号是周期或重复出现的, 这样经过N次平方叠加, 信噪比将提高N倍。
3、自适应滤波。
近年来, 自适应处理技术受到人们重视, 在数字信号处理领域发展十分迅速。它的特点是在没有关于待提取信息的先验统计知识的条件下, 直接利用观测的数据根据某种判据在观测过程中不断地递归更新处理参数以逐步逼近某一最优处理结果。
二、生物医学信号的处理分析
1、傅里叶变换。
传统的信号处理方法一般采用傅里叶变换, 从本质上将, 傅里叶变换就像一个三棱镜, 它将一个信号函数分解成多个频率成分, 吧信号从时域变为频域上研究, 其理论描述为。
傅里叶变换可以获得信号的整体频谱, 但却不能将二者有机的结合起来, 信号的时域波形中不包含任何的频域信息, 而傅里叶谱是信号的统计特性, 是时域内的积分, 积分区间为无穷大, 没有局部化分析信号的功能, 由于这个局限性, 它对生物医学信号这种非平稳型很强的处理功能很差。
2、小波变换。
像心电信号这种具有较强的随机性和强背景噪声, 而且又属于非平稳非线性的弱信号的生物医学信号的处理, 小波分析较之傅里叶变换显示出了强大的优越性。
小波变换定义如下:
如果某函数满足一下条件:
(其中ψ (w) 是ψ (t) 的傅里叶变换) , 我们就说ψ (t) 满足小波变换的允许条件, 小波变换是指把这一基本小波的函数ψ (t) 作位移之后, 再在不同尺度下与待分析信号x (t) 作内积
3、人工神经网络。
信息科学与生命科学的相互交叉, 相互渗透和相互促进是近代科学技术发展的一个显著特点, 人工神经网络是在现代神经生物学研究成果的基础上发展起来的一种模拟人脑信息处理机制的网络系统, 它以大规模并行处理为主, 不但具有处理数值数据的一般计算能力, 而且还具有处理只是的思维, 学习和记忆能力。近年来, 人工神经网络的迅速发展使其成为信号处理强有力的工具, 由于神经网络可以把专家知识和先验知识结合成一个数学框架来完成提取和识别功能, 不需要任何对数据和噪声的先验假设, 所以最适合用于研究和分析生物医学信号。
三、发展前景
对数字信号处理技术的未来发展, 在生物医学信号处理方面, 我认为应减小其应用的局限性, 加强对人工神经网络和小波分析的研究, 研究分析利用小波理论开发具有真正意义的生物医学信号分析软件。面对现在就医难, 医院病床紧张的问题, 应致力于以小波变换的数据压缩技术及远程医疗和家庭医疗监护数据的存储问题, 让一些病人可以在家里完成监护功能, 缓减医院病床紧张问题。
参考文献
[1]刘海龙生物医学信号处理化学工业出版社2006
[2]C.Sidney Burrus, Ramesh A.Gopinath机械工业出版社2008
数字信号 篇10
两课为本院信息工程系电子信息工程与通信工程专业的专业基础平台课。改革优化前两课的教学各自为政,存在授课内容重复、衔接不合理、综合度不够等问题,而这些问题又随着教学计划的修改和课时的减少而更加突出。因此两课的优化整合势在必行,我们尝试着进行教学改革,针对信息类专业两门核心课程《信号与线性系统》与《数字信号处理》建立新的课程体系,利用新的教学方法和思想,使三本学生从被动学习转变为主动探索,同时提高工程实践应用能力。
1 建立两课的课程体系
《信号与线性系统》与《数字信号处理》课程教学内容都比较成熟和经典,但在课程开设时,为了保证各自的课程完整性,必然有部分教学内容重复。因此我们为了达到最佳的课程衔接及教学效果,首先确保《信号与线性系统》的主体基础地位不动摇,因为《信号与线性系统》课程是《数字信号处理》理论基础,《数字信号处理》是《信号与线性系统》课程在离散域中的深入扩展。其次,强调《数字信号处理》课程的应用技术层面,综合运用学生已掌握的各门课程的相关专业知识基础上,结合信息采集、信息传输、信息处理和信息应用等数字信号技术特点与计算机和相应专用实验器件,系统全面的介绍数字信号处理的概念、原理、相关软硬件知识及技术应用。使三本学生脱离繁重的抽象理论计算,在具体的实践中掌握数字信号处理基本理论和实现方法。为此,我们把《数字信号处理》的48学时修改为64学时,其中包括32学时的上机实验(比改革前的《数字信号处理》课程实验增加了24学时)而《信号与线性系统》仍保持72学时的理论学时。
2 教学内容和教学手段的改革
在《信号与线性系统》与《数字信号处理》两门课程中,有许多抽象的数学、物理、工程等概念,既不好教也不好学,传统的单一板书授课方式显然已不适和,而恰恰多媒体综合教学手段(CAI课件及电子教案)可以令这些枯燥的数学推导,抽象的物理意义活灵活现在学生面前。目前的实验大多数是验证性实验,且完成效率低,学生在做实验前并不清楚为何要做,导致多数实验流于形式何谈开拓与创新。当今软件仿真能力很强,随着计算机运算速度日益增长,完全可以用软件来完成以前必须用硬件才能完成的实验。Matlab就是一款很好的强大的数学运算工具,也是当前国外信号处理最为流行的仿真软件之一。这样一来把课堂搬到实验室,更生动更直接的学习课程内容,培养学生创新及设计能力。
3 考试方法和考试内容的优化与探索
长期以来《信号与线性系统》与《数字信号处理》课程的不及格率居高不下,被学生冠以“大挂”课程之首,究其原因无外乎学生对抽象的数学推导公式掌握不好,考前一味的背公式,做习题,却忽略物理意义及各知识点之间的联系,考试中一旦对于某个公式的记忆中断,便导致发挥失常。而长期的低通过率严重影响学生的心理压力,对考试逐渐丧失信心等恶性循环。除了学生的这些主观因素外客观因素是可以通过课程的考核改革降低不及格率的。具体做法:《数字信号处理》课程在考核方式上采取加大平时成绩的比重,由原来的30%增加到50%,其中实验成绩占40%,另10%是传统的平时成绩(包括出勤率,课堂测验和作业等)同时考试采取开卷形式,考前发一张专用纸,可以让学生把认为需要的公式理论等都写在上面带进考场,这样学生就不会单一的认为考试就是考公式考计算,自然学习的重点就会转移到实验应用能力上。同时,试卷考题也将注重计算转移到注重分析和综合上,在保证传统客观题的基础性和全面性的前提下,适当增加创新与拓展题(不超过10%),既使考试成绩有层次性,又比较全面的检验学生对课程了解的深浅程度。考核方式的改革对素质教育的革新和工程实践能力的培养非常有利。
4 两课的初期实践与探索
针对三本学生数学功底薄弱,理论分析基础差这一现状,《信号与线性系统》强调基础方法层面,大胆丢弃数学理论已详细完成的公式理论推导和纯数学运算,强调数学公式的物理概念和工程意义的理解。《数字信号处理》强调应用技术层面。
考虑到两课教学分属两个学期,为了课程的连贯性和知识结构的完整性,两课有关离散信号和离散系统以及Z域分析部分等内容有必要重复,但侧重点不同。《信号与线性系统》侧重离散信号与离散系统的基本概念、物理意义及Z域分析的各种方法而《数字信号处理》则突出讲授以数字信号与系统的应用分析为核心和目的的离散问题,以实用性为目标,用尽可能少的学时,以内容回顾和补充的形式安排这部分内容,避免重复过多,同时淡化两课繁复的理论数学推导证明,统一相关概念的物理意义和符号标注。
在新的课程体系和知识架构下,编写与之相应的实验教材,实验指导书本方便学生掌握和理解《信号与线性系统》与《数字信号处理》的理论和分析方法并能很好的解决实际问题的原则,力求信号处理知识的完整性、逻辑性、连贯性。
5 结束语
目前,我院已初步实现了《信号与线性系统》与《数字信号处理》的课程体系与知识结构的优化整合,并在新的课程体系指导下,编写了具有三本院校特色的实验指导教材,并制作了基于课堂的理论和实验多媒体CAI课件。经过三年的教学实践推广,基本达到了预期的教学效果,取得了一些成绩,两课的不及格率也有所降低。在此新教学体系架构下,以本院教授许庆山的教材《电路、信号与系统》为蓝本,正在积极努力的编写适应三类本科院校的两课教材。但教学改革及课程整合优化是一个系统工程,非一朝一夕即刻见效的,要协调各项可利用资源,包括实验室建设,师资人员培养,教学管理等才能取得最好的教学效果。教育以人为本,国家教育发展也当教改先行。
摘要：近年来,随着信息技术的迅速发展及超大规模集成电路和计算机的普遍应用,新的信号处理和分析技术不断涌现。有关信号与系统和数字信号处理的概念、理论和分析方法不断发展,使用领域也不断扩大。鉴于信息类专业两大核心课程《信号与线性系统》和《数字信号处理》知识结构和教学内容存在的问题,针对当前三类本科院校学生的特点,提出了构建新的教学体系,优化整合教学内容,并对相关课程进行了实践及探索。以教学内容,教学方式,实验教学,考核方式等为主体思路,进行两课的优化整合。
关键词：信号与线性系统,数字信号处理,优化整合
参考文献
[1]许庆山.电路、信号与系统.航空工业出版社,2002.2.
[2]程佩青.数字信号处理教程.清华大学出版社,2001年.
[3]Vinay K.Ingle,《数字信号处理》(英文影印版),北京:科学出版社,2003年.
电气信号数字化检测技术分析 篇11
关键词：电气信号；数字化检测技术；电气设备 文献标识码：A
中图分类号：TM935 文章编号：1009-2374（2015）21-0065-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.033
当前，电气设备得到了广泛的应用，如在电网系统、生产系统及楼宇结构中等，极大地改善了人们的生活方式，同时也推动了人类文明的发展。随着电气设备的结构逐渐复杂化、功能逐渐强大化，其故障的发生率逐渐升高，由于故障造成的损失也逐渐增大，因此电气设备的检测工作逐渐成为人们重点关注的问题。
1 信号处理技术在电气设备检测中的应用
电气设备的检测工作对于维持其良好的运行至关重要。由于电气设备的内部构成复杂，使得其在运行的过程中容易出现故障问题。通常而言，其故障检测和诊断工作有信号检测、数据的采集、数据分析、评估结果输出等。电气设备中光、电、声波、振动、温度等因素的变化都会通过传感器传输到数据采集存储器中，同时采集到的数据传输到控制中心，再进行数据信号的对比和分析。在电气设备检测中，常用的三种数据采集方式是采集波形、采集信号峰、采集脉冲，常用的故障诊断方法为模糊逻辑法、人工神经网络法、专家系统法等。
将信号处理技术应用于电气设备检测中，可以实现检测信号的处理，并保留有用的信号，从而提取信号特征，并利用信号表现出的征兆来进行故障诊断。这种信号处理技术的应用可以为电气设备的检测提供更加稳固的保障，例如时域分析法、傅立叶变化频域分析、小波分析法等应用增强了检测信号的精确性。另外根据信号的特征和系数模的不同，可以实现信号波形的有效检测，同时小波分析法可以精确地反映电气设备故障的发生时间和发生位置，为电气设备的故障检测提供保障。
2 电气设备检测技术的发展方向
当前，科学技术的飞速发展为电气设备检测技术的发展指明了方向。检测技术的发展离不开信息技术、虚拟技术、远程控制技术、人工智能技术的发展，这也是当前电气信号数字化检测技术的发展方向。
2.1 电气设备检测的信息融合技术发展
电气设备检测信息融合技术的发展，拓宽了信息的来源渠道。当前，传感器技术和数字化技术的发展前景良好，其应用可以改善信息处理的质量，提高故障诊断的发生状况。相对于传统的检测方式，信息融合技术的发展提高了检测的精确性，首先体现在其测量检测结果的抗干扰性较强，避免了外界信号对故障检测信号的干扰。传感器的性能直接决定了故障的检测效果，同时不同传感器的抗干扰灵敏度不同。電磁干扰反应不灵敏的传感器信息进行融合之后，可以有效地剔除干扰信号的影响，增强故障信号的检测准确性。
2.2 基于虚拟信号技术的发展
虚拟信号技术的发展，为电气信号数字化检测技术的发展提供了良好的载体。随着科学技术的发展，虚拟仪器技术是检测领域的研究重点。虚拟技术的发展离不开网络技术的发展，网路技术的发展提供了虚拟的空间。网络技术发展是以软件作为核心技术，实现了电子信号的测试、分析、存储、传输和控制系统，并实现了信号处理模式的一体化，增强了故障的检测准确性。此外虚拟信号的发展增强了系统的可视性和交互性，提高了系统界面的效果，为设备检测发展提供了发展空间。
2.3 远程电气信号检测和网络化跟踪
远程电气信号检测和网络化跟踪技术结合发展是当前电气设备检测技术的发展方向，而这种技术模式的出现需要依赖计算机技术和数据库技术的发展，同时对于软件开发和宽带数字技术提出了更高的要求。当前我国的远程电气信号检测技术发展良好，互联网在电气设备的检测中发挥着重要的作用。计算机通过其强大的计算能力将收集到的电气设备信号进行评估和诊断，同时加强对于设备运行数据的采集，通过数据之间的对比，辨别出异常信号，从而及时有效地发现故障的来源，增强了电气设备检测工作的效率。另外，远程电气信号检测实现了远程操作控制，以互联网技术和数据库技术作为依托，增大了检测范围，并实现了诊断知识和相关数据的共享，摆脱了设备信号检测时间和空间的限制，缩短了故障信号检测和故障维修的时间。
2.4 基于人工智能的信号数字化检测系统开发
电气设备的发展为人工智能化的实现提供了载体，人工智能的实现依赖于计算机技术，通过赋予计算机人性思维方式进行工作，计算机模型会按照人类专家的推理过程进行独自的计算模拟，从而解决实际存在的技术性难题。但计算机并不能实现真正意义上的独立计算，其在故障诊断表达方面有着局限性。因此，这种系统在信号检测应用时，要采用模糊性的自然语言来阐明设备运行状态特征，同时采用模糊集合的概念进行状态原因的表述，以提高检测判断的有效性和精确性。通常而言，人工智能的信号数字化检测系统开发需要优化系统的状态效应，同时在系统中输入模拟形式，采用模糊的检测技术进行状态监控，才能减少人工智能化信号数字化检测的错误，提高信号检测的精确性。
2.5 基于数字化的寿命周期成本管理
电气信号数字化检测技术应用的目的是提高设备故障检测的精确性和及时性，减少设备故障对生产造成的影响，从而提高经济效益，降低生产成本。通常而言，电气设备有一定的使用年限，在设备的不同维修过程，电气设备的运行效率逐渐降低，导致检测费用高于设备重新配置的费用，从而让电气信号数字检测工作变得毫无意义。因此基于数字化的寿命周期成本管理是当前检测技术的发展趋势，检测技术的应用要以设备寿命期内的检测费用作为评价标准。此外，电气设备检测技术应当考虑状态检修对于成本的影响，综合评估电气设备的运行效率和成本控制，从而提出更加合理的发展目标。
3 结语
总而言之，电气信号数字化检测技术的发展为电气设备的应用提供了保障。在实际应用中，提高数字化信号的检测水平有助于提升设备运行的安全性和可靠性，从而提高生产的经济效益。当前电气信号检测技术朝着高精度、高速度、现代化、应用性强的方向发展，同时注重检测技术和检测理论的结合应用。因此，电气设备检测技术的发展方向应当实现理论和实践的结合，以虚拟技术、远程控制技术、人工智能技术、寿命成本管理为依托，实现信号检测技术的升级换代，为企业的发展提供良好的保障。
参考文献
[1] 杨涛铭.电气信号数字化检测技术的探讨[J].中国新技术新产品，2012，（17）.
[2] 魏彩香.电气信号数字化检测技术研究[J].科学决策，2008，（13）.
[3] 王新磊.电气信号数字化检测技术的发展研究[J].建筑科技管理，2014，32（3）.
[4] 朱博瑞.信号数字化检测技术研究[J].黑龙江科技信息，2014，32（3）.
[5] 黄纯.电气信号数字化检测技术及应用研究[D].湖南大学，2005.
作者简介：马进（1982-），男，辽宁沈阳人，沈阳出入境检验检疫局工程师，研究生，研究方向：机电；刘世勋（1980-），男，辽宁沈阳人，中认（沈阳）北方实验室有限公司工程师，研究生，研究方向：电气；赵雪（1983-），男，辽宁沈阳人，沈阳飞机工业（集团）有限公司工程师，研究方向：机械。
数字音频信号的传输与测量 篇12
随着广播设备数字化技术的飞速发展, 广播发射机节目源已从原来的模拟音频信号逐步过渡到了数字音频信号。数字信号有诸多优点, 主要表现在数字信号对干扰不敏感、基本上与传输距离无关、可以再生、可由处理器进行修正以及更好地集成等。数字音频的标准有SPDIF、AES/EBU、M ADI等, 其中, AES/EBU又称为AES3, 是音频工程协会和欧洲广播联盟共同制定的标准, 它是传输和接收数字音频信号的数字设备接口协议。
我台广播节目传输的数字音频信号采用的就是AES/EBU标准, 其节目传输示意图如图1所示。从图1中我们可以看到, 从卫星接收机解码输出的AES/EBU数字音频信号, 经音频分配器后, 其中一路经平衡/不平衡转换器, 将数字音频信号由110Ω平衡信号转换为75Ω不平衡信号后通过同轴电缆送到发射机;另一路110Ω平衡数字音频信号送到数字音频光端机, 通过光缆送到发射机。
2 数字音频信号的传输
从目前来看, 传输AES/EBU数字音频信号不外乎如下几种方式, 即:屏蔽双绞线电缆传输、同轴电缆传输和光纤传输三种。下面结合我台数字音频传输实例, 分别介绍三种不同的传输方式。
2.1 双绞屏蔽线电缆传输
用双绞线屏蔽电缆传输模拟音频信号是最早使用的手段之一, 它的优点是:在传输距离较短时, 铺线较容易, 比起其他传输手段来说, 投资相对少, 技术较成熟, 维护方便等。其缺点是:传输距离较远时频响较差。
模拟音频的频响为20Hz到20kHz, 它可以通过双绞线屏蔽电缆从一处传输到另一处。由于音频电缆上所使用的插头从RCA到专业的X LR接插头, 种类繁多, 因此, 当人们刚开始考虑专业数字音频信号的传输时, 就很自然地选择使用带有XLR插头的双绞线屏蔽电缆。数字音频双绞电缆与标准模拟音频双绞电缆的区别关键在于特性阻抗指标。AES/EBU标准由于公差范围宽, 特性阻抗范围可以从88Ω到132Ω;标准模拟音频电缆的特性阻抗从45Ω到70Ω。如使用模拟音频电缆线传输数字音频信号, 因阻抗不匹配, 会导致信号反射及抖动, 从而在接收端产生误码, 由于这个原因, 推荐使用100Ω至120Ω的屏蔽双绞线数字音频电缆用于数字音频传送 (电缆的阻抗不是直流阻抗, 而是高频信号下的交流阻抗, 万用表是测量不出来的) 。数字音频信号通过平衡屏蔽的双绞线电缆从一个发送器传输到另一个接收器的距离可达100m。
图2是AES数字音频双绞线传输的电路示意图。在AES数字音频信号传输中, 通常使用RS-422A数据通讯的标准驱动器和接收器芯片, 而使用变压器耦合可获得较好的共模拟制, 且避免了信号的大地回路, 电缆较长时也可使用均衡补偿。
2.2 同轴电缆传输
如果通过某种方法将AES数字音频信号电平变为1V, 阻抗变为非平衡75Ω, 那么就可以将数字音频信号如同视频信号一样传输。图3为使用同轴电缆进行数字音频传输的原理示意图。其传输规范为AES发布的一份文件AES3ID, 在该文件中, 描述了同轴分配装置的优越性, 还包括了电缆、电缆平衡器以及接收器电路等方面的信息, 在接收器的信息中, 还包括当需要将AES3格式的信号长距离 (1000m) 传输时或在模拟视频分配设备的环境中使用时, 标准AES3设备与电缆系统进行转换的变换器。我台广播节目通过平衡至不平衡变换器将110Ω阻抗变换为75Ω阻抗, 并通过同轴电缆进行节目传送, 其稳定传输距离已达500m, 平衡/不平衡转换器原理图如图4所示。
需要指出的是, 平衡和不平衡传输系统不能直接对接, 原因主要有两个:
(1) 电平不匹配
AES数字音频信号是TTL的5V电平, 遵循RS422的接口, 而BNC的AES/EBU接口的电平是0.5V, 比较低幅度的信号送入XLR的5V接口容易发生电平不翻转的问题 (AES/EBU平衡的接收器最低的输入幅度要求大于200mV, 0.5V的BNC接口外加线路损耗, 尤其是低频的电阻损耗和高频的介质损耗, 往往中长线路不能保证其衰减控制在-6dB以内) 。此外, 用平衡直接连接到不平衡, 输入信号太大, 加重了发送端的负载。
(2) 阻抗严重不匹配
75Ω与110Ω直接对接, 在整个传输系统中会出现回波, 它重叠在原信号上, 使得传输系统的孔径变小 (眼图抖动变大, 开度减小) , 当小到接收器不能正常解码而时常出现误码时, AES/EBU每个子帧的校验位将出错, 接收器会将这个错误子帧丢弃, 造成音频传输错误。
在平衡和不平衡传输系统之间通常要加装变压器, 用来进行电平和阻抗的转换。
2.3 光纤传输
光纤传输信息时, 是将电信号转变为光信号, 然后在光导纤维内部进行传输, 因此光纤传输具有很强的抗干扰性、保密性和可靠性;它的传输损耗小, 传输容量大, 不会因大气条件变化而带来质量损伤, 也不存在带宽瓶颈问题;它还具有体积小、重量轻、铺设容易等一系列优点。目前, 光纤传输设备使用简便, 没有同轴电缆的均衡需求, 光纤传输设备几乎不需维护, 且可靠、稳定、便宜, 因此, 采用光纤通讯技术, 可以大大提高广播电视节目的传输质量。目前, 一条单模光纤可以传输2.488Gb/s的数字信号。采用1550nm光波长时, 中继距离可在100km以上, 图5是数字音频光缆传输的原理图。
采用光缆传输在发送与接收端需要增加额外的光端机, 相对于无源的电缆传输, 也增加了一个故障环节, 但其在抗干扰性能和传输距离上却有着电缆无法比拟的优点。
3 数字音频信号的测量
AES/EBU数字音频信号可采用平衡传输方式, 也可采用非平衡传输方式, 虽然这两种传输方式输入/输出接口的阻抗和电气特性有所不同, 但是两种传输方式所传输的数据帧结构却是一致的, 都是遵循AES/EBU帧结构标准。
3.1 电气特性
数字音频信号采用不同的传输方式, 其对应的接口和电平都各不相同, 表1为采用平衡双绞线进行数字音频传输时的电气接口参数, 表2为采用同轴电缆进行数字音频传输时的电器接口参数。
3.2 数据帧结构
要对数字音频信号进行测量, 首先要了解AES/EBU数字信号的结构特点以及各个校验位与状态帧的含义, 测量时可采用专用设备, 也可采用数字存储示波器来完成。在AES/EBU数据帧中包含了时钟信息、音频数据帧、非音频数据三种数据类型, 下面将分别对这三部分数据信息进行介绍。
3.2.1 时钟信息
在AES/EUB数字音频信号中, 采用“双相位”编码方式, 将信号的时钟信息嵌入AES/EBU数字音频信号流中。
在“双相位”编码方式中, 把每一个逻辑“1”和逻辑“0”位所占用的时间称为一个“时间片”, 在逻辑“0”位时, 只在“时间片”的开始与结束处信号进行高、低电平的跳变;在逻辑“1”位时, 不仅在“时间片”的开始和结束处信号进行高、低电平的跳变, 同时还要在“时间片”的中央再进行一次高、低电平的跳变。如一段001010的数据经过“双相位”编码后的电平图如图6所示。
在图6中, 时间片1、2、4、6中传输的是“0”, 时间片3、5中传输的是“1”, 则除了在时间片的开始和结束处分别有一个电平的跳变外, 在时间片的中央还有一个电平的跳变过程。
通过这种传输编码方式有以下两方面的好处:第一, 接收端可以从传输的信号中重建信号的传输速率, 从而得到所接收信号的时钟信息;第二, 通过这种传输编码, 可以消除传输链路上由于“常1”或“常0”而造成的积累电平, 使传输链路上的电平处于0V。
3.2.2 音频数据帧
在AES/EBU数字音频信号中, 音频信息以数据帧的方式传输, 其中每个音频数据帧包含左、右两个子帧, 并以串行的方式排列传输, 左子帧在前、右子帧在后。左、右两个子帧的结构是一致的, 其构成如图7所示。
从图7中可以看到, 在左、右子帧中各占有24bit的长度的音频数据, 其内容为一个采样信号的量化数值。LSB为最低有效位, MSB为最高有效位。24bit音频数据表示最高的量化深度为24bit, 同时在传输量化深度为16或20bit的音频数据时, 可以采用最低有效位向右移动相应位, 将最低有效位左边的数据位给予置“0”的方式来完成。图8为一个音频数据是16bit长的左、右子帧示意图。
图7、图8中, 各字段和字母的含义如下。
(1) Preamble:标识数据。其编码方式不遵循“双相位”编码规则, 也是在AES/EBU信号流中唯一不遵循“双相位”编码规则的数据。其占有的时长为四个“时间片”, 在这四个“时间片”长的脉冲中, 会出现一个或两个持续时长为1.5个“时间片”长度的逻辑“1”或逻辑“0”脉冲。如图9所示。
Preamble通常有如下三种类型的标识数据:
(1) X类型的标识数据, 表示在标识数据后跟的是左声道的音频帧;
(2) Y类型的标识数据, 表示在标识数据后跟的是右声道的音频帧;
(3) Z类型的标识数据, 表示在标识数据后跟的是一个左声道的音频帧, 同时也表示是一个新的状态数据块的开始。
(2) V:有效位 (Validity bit) 。其功能主要是确认传输数据的有效性。如果有效位被置为“1”, 表示接收到的数字音频信号不适合转换成模拟信号, 在其它情况下, 比如传输的数据产生了一些错误或在帧中传输的数据不是线性的PCM音频数据, 都会使有效位置“1”。
(3) U:用户数据位 (User-bit) 。在AES/EBU信号中没有使用。
(4) C:通道状态位 (Channel-status bit) 。在AES/EBU数字音频信号协议中, 规定每192个音频数据帧为一块, 块中包含有192个左帧、192个右帧, 每个块的开头标识为Z类型的标识数据。在块中所有的左帧和右帧内的通道状态位就分别组成了一个192bit长度的左状态信息数据和右状态信息数据, 也就是说, 单个帧中的通道状态位是没有意义的, 一个音频块的数据类型、采样频率等信息是通过块中所有帧的通道状态位组合起来实现的。
(5) P:奇偶校验位。为该子帧的奇偶校验位。
3.2.3 非音频数据
如上所述, 每个音频块含有192个帧, 其中所有的左帧和右帧内的通道状态位, 组成了一个192bit长度的左状态信息数据和右状态信息数据, 这192位作为192/8=24个字节, 对块中的音频数据进行说明, 表示了所传数据的采样频率、量化深度、循环校验码等信息。
3.3 数字音频信号的码率
我们知道, 一个音频数据块有192个帧组成, 每个帧由两个子帧组成, 帧在使用的采样率下重复。第一个子帧包含来自通道A中的采样数据或是立体声中在左声道的采样数据;第二个子帧为通道B或是立体声右声道的采样数据, 每个子帧含有32bit的数据。在48kHz采样频率下, 其码率为:
帧中的一个数据比特持续时间为:1/3.072Mbps=325.5ns, 每个音频帧包括64bit, 每个音频帧的持续时间为:325.5ns×64=20.83μs, 在双相标志码编码后, 数据传输率将提高到两倍, 即:3.072×2=6.144Mbps, 一个双相标志码比特单元时间为325.5ns/2=163ns。
知道了码率和数据比特和音频帧的持续时间, 在使用数字存储示波器进行测量时, 就能根据要测量的内容调整时间参数了。比如要查看一个音频帧, 那么我们可以根据音频帧的持续时间20.83μs, 将扫描时间调整到大于21μs等。
3.4 专业数字音频测试仪器
目前, 许多厂家针对AES/EBU数字音频生产出了一些专业测试仪器, 这些仪器可按AES/EBU和S/PDIF (IEC60958标准) 标准, 对数字音频信号进行电学和定时同步 (抖动) 分析以及其他测量;仪器可通过对“连通性”的检查, 再结合其内置的自动测试程序, 可在各种环境和场合下快速且可靠地完成正常/失效的判断指示, 提供比示波器更专业的测量和检查手段, 以确保数字音频系统的可靠运行。
有些仪器还具有详细诊断功能, 比如, 音频、通道状态数据内容及电学参数等诊断, 其中电学参数包括:信号源及同数据相关的抖动、振幅和眼图闭合诊断等。甚至有些仪器还提供了信号发生器功能, 可通过一系列特别设计的AES/EBU标准数字音频接口测试信号, 包括:信号源恶化的信号、与数据相关的抖动信号、用于bit误码检测的伪随机序列信号 (PRS) 等, 用来测试传输通路的可靠性和传输媒介的损耗情况。
4 小结
随着电台广播节目数字化的普及, 数字音频已逐渐取代了模拟音频的传输与调度, 为充分发挥数字音频的优势, 只靠使用万用表简单地测试信号通路的连通与否, 已无法满足数字音频信号传输的要求。只有明确了数字信号传输的电气特性和数据帧结构, 才能发现数字信号传输过程中出现的问题并及时进行处理, 用以确保广播传输发射工作高质量、不间断地运行。
摘要：本文结合实际应用讲述了AES/EBU数字音频信号的三种传输方式和传输方式之间的转换方法, 并对AES/EBU数字音频信号的电气参数和数据帧结构进行了详细的描述。