5.采样信号量化误差分析
pcm编译码实验报告
pcm编译码实验报告PCM 编译码实验报告一、实验目的1、掌握脉冲编码调制（PCM）的基本原理。
2、熟悉 PCM 编译码系统的构成及工作过程。
3、观察和分析 PCM 编译码过程中的信号波形，理解量化和编码的概念。
二、实验原理PCM 是一种将模拟信号变换成数字信号的编码方式。
其基本原理是对模拟信号进行周期性采样，然后将每个采样值进行量化，并将量化后的数值用二进制编码表示。
采样过程遵循奈奎斯特采样定理，即采样频率应大于模拟信号最高频率的两倍，以保证能够从采样后的信号中无失真地恢复出原始模拟信号。
量化是将采样值在幅度上进行离散化，分为若干个量化级。
量化级的数量决定了量化误差的大小。
编码则是将量化后的数值用二进制代码表示。
常见的编码方式有自然二进制编码、折叠二进制编码等。
在 PCM 编译码系统中，发送端完成采样、量化和编码的过程，将模拟信号转换为数字信号进行传输；接收端则进行相反的过程，即解码、反量化和重建模拟信号。
三、实验仪器与设备1、通信原理实验箱2、示波器3、信号源四、实验内容与步骤1、连接实验设备将通信原理实验箱接通电源。
用信号线将信号源与实验箱的输入端口连接，将实验箱的输出端口与示波器连接。
2、产生模拟信号设置信号源，产生频率为 1kHz、幅度为 2V 的正弦波模拟信号。
3、观察采样过程调节实验箱上的采样频率旋钮，分别设置为不同的值，观察示波器上的采样点。
4、量化与编码观察实验箱上的量化和编码模块，了解量化级的设置和编码方式。
5、传输与接收发送端将编码后的数字信号传输给接收端。
观察接收端解码、反量化后的模拟信号。
6、改变输入信号参数改变模拟信号的频率和幅度，重复上述实验步骤，观察 PCM 编译码的效果。
五、实验结果与分析1、采样频率对信号的影响当采样频率低于奈奎斯特频率时，示波器上的信号出现失真，无法准确还原原始模拟信号。
当采样频率高于奈奎斯特频率时，信号能够较好地还原，随着采样频率的增加，还原效果更加理想。
高速、高精度频率采样中的量化误差分析
Ｋｅ ｒ ｓ ￣ ｑ ｅ ｃ ａ ｌ ｇ ｓｔ ｐ ｔ ； ｈ ｌ ｉ ； ｐｏ ａ ｉｔ ｅ ｓ ｕ ｃ ｏ ； ｑ ａ ｔ ｔ ｎ ｙ ｗｏ ｄ ｅ ｕｎ ｙ ｓｍｐｉ ； ｅ－ ｉ ｎ ｕ ｍｅ ｏｄ ｔ ｍｅ ｒｂ ｂｌ ｄ ｎｉ ｆｎ ｔ ｎ ｉ ｙ ｙ ｔ ｉ ｕ ｍａ ｏ ｎ ｉ
上述 结 论只 有 当计 数 器 的建 立 时 间 ｒ和保 持 时 间 ｒ Ｉ ｈ 远 小于 时基 周期 财 成 立 。 而 高精度 频率采 样 器 以 然 极 高速 的 时基 为特 征 ， 、 ｒ已可 与 舛目 ｈ 比拟 ，量化 误 差 的概率 密度 函数 发 生变 化 ， 由此 引入 的量 化误 差 在 高速采 样 时对 测频 精 度 的影 响 很大 ，因此 需重 新 对量化 误差 进行 分 析 。
维普资讯
第３ ６卷 第 １ 期 ２０ ０ ７年 ２月
电 子 科 技 大 学 学 报
Ｊ ｕ ａ ｆ ｉ ｅ ｓｔ ｆ ｅ ｔｏ ｉ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ Ｃｈ ｎ ｏ ｒ ｌ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｏ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃＳ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆ ｉ ａ ｎ ｏ ｙ
ｈ ｓｔ ｔ ｔ ｏ ａ ｉｔ ｄ ｎ ｉ ｆ ｃ ｏ ｆ ｍｅｑ ａ ｉ ｔ ｎｅ ｏ ｈ ｔ ｆ ｔｓ ｅｉ ｄ Ｔ ｅ ｔｅ ｒｔｉ ａ ｔｅ ｒｂ ｂｌ ｅ ｓ ｎ ｔ ｎｏ ｔｅ ｉ ｕ ｔ ａ ｏ ｒ ｒ ｔ ｅ ｆ ｃ ｉ ｄｒ ｅ ． ｈ ｒ ｉ ｆ ｍｅｈ ｈ ｐ ｉ ｙ ｙ ｔ ｕ ｉ ｈ ｔ ｎ ｚｉ ｒ ｗｉ ｈ ｅ ｅ ｖ ｗｏｋ
实验七采样信号的量化误差
实验七：采样信号的量化误差1.实验目的在理论学习的基础上，通过本实验熟悉A/D、D/A变换中的量化误差，了解A/D、D/A器件位数与量化误差的关系。
2.实验内容观察不同A/D、D/A位数时量化误差的大小和影响。
3.采样信号的量化误差实验用Matlab对正弦信号Y=5sin(2*pi*t)进行量化观察不同位数时的误差的大小和影响一．用Matlab进行仿真的源代码如下：%shiyan7.mt=0:0.01:5;y=5*sin(2*pi*t);partition1=-5*(1-1/2):5*1/2:5*(1-1/2);partition2=-5*(1-1/4):5*1/4:5*(1-1/4);partition3=-5*(1-1/8):5*1/8:5*(1-1/8);partition4=-5*(1-1/16):5*1/16:5*(1-1/16);z1=(quantiz(y,partition1)-3/2)*10/3;z2=(quantiz(y,partition2)-7/2)*10/7;z3=(quantiz(y,partition3)-15/2)*10/15;z4=(quantiz(y,partition4)-31/2)*10/31;subplot(5,1,1);plot(t,y);title('y=5*sin(2*pi*t)');subplot(5,1,2);plot(t,z1);ylabel('2 bit');subplot(5,1,3);plot(t,z2);ylabel('3 bit');subplot(5,1,4);plot(t,z3);ylabel('4 bit');subplot(5,1,5);plot(t,z4);ylabel('5 bit');二．用Matlab绘出不同位采样的图形如下：4．结论从Matlab的仿真结果可以看出，对模拟信号进行量化时不可避免的要引入量化误差。
抽样信号的量化-副本
抽样信号的量化1. 引言在数字信号处理中，抽样和量化是两个重要的步骤。
抽样是指将连续时间下的信号转换为离散时间下的信号，而量化那么是将离散时间下的信号转换为离散幅度的信号。
本文将探讨抽样信号的量化过程，介绍常用的量化方法及其应用。
2. 抽样过程在抽样过程中，信号在一定时间间隔内进行采样，得到离散时间下的样本。
采样频率是一个关键参数，决定了样本的数量和精度。
常见的抽样方法有理想抽样和实际抽样。
2.1 理想抽样理想抽样是指在无噪声和无失真的情况下进行的抽样过程。
在这种情况下，采样频率应满足奈奎斯特准那么，即采样频率必须大于信号中最高频率的两倍，以防止采样失真。
2.2 实际抽样实际抽样是指在存在噪声和失真的情况下进行的抽样过程。
由于信号存在噪声和失真，为了减小采样误差，通常会采用过采样和滤波的方法。
3. 量化过程量化是将抽样信号的幅度转换为离散幅度的过程。
量化分为线性量化和非线性量化两种方法。
线性量化将抽样信号的幅度按照一定的间隔进行离散化处理。
常见的线性量化方法有均匀量化和非均匀量化。
3.1.1 均匀量化均匀量化将抽样信号的幅度范围等分成假设干个区间，将每个区间的幅度平均映射到对应的离散幅度值。
例如，将幅度范围为0~10的信号均匀量化为8个离散幅度值，那么每个区间的幅度为10/8=1.25。
3.1.2 非均匀量化非均匀量化是根据信号的幅度分布情况进行离散化处理。
常见的非均匀量化方法有渐进式量化和自适应量化。
3.2 非线性量化非线性量化是根据输入信号的幅度值选择对应的离散幅度值。
非线性量化方法有压缩量化和展开量化。
由于量化过程的离散化处理，导致信号的连续性被破坏，从而引入量化误差。
量化误差是指量化后的离散幅度值与原始信号的幅度之间的差异。
量化误差可以通过信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)来评估。
5. 应用案例抽样信号的量化在数字音频、图像处理等领域有着广泛的应用。
5.1 数字音频在数字音频处理中，抽样信号的量化用于将模拟音频信号转换为数字音频信号。
声音信号的数字化过程
声音信号的数字化过程一、引言声音是人类日常生活中不可或缺的一部分，而数字化技术的发展使得声音信号的处理和传输更为便捷和高效。
本文将介绍声音信号的数字化过程，包括采样、量化和编码三个关键步骤。
二、采样采样是将连续的声音信号转换为离散的数字信号的过程。
在采样过程中，声音信号会被周期性地测量和记录。
采样率是指每秒钟采集的样本数，常用的采样率有8kHz、16kHz、44.1kHz等。
采样率越高，所能还原的声音频率范围就越广，但同时也会增加存储和传输的开销。
三、量化量化是将连续的采样信号转换为离散的量化信号的过程。
在量化过程中，采样值会按照一定的规则映射为离散的数值。
量化级数是指用多少个离散数值来表示一个采样值，常见的量化级数有8位、16位、24位等。
量化级数越高，所能表示的声音动态范围就越大，音质也相应提高。
四、编码编码是将量化后的信号转换为二进制数字的过程。
在编码过程中，使用不同的编码方法将量化后的数值映射为二进制码。
常见的编码方法有脉冲编码调制（PCM）、压缩编码（MP3、AAC）等。
不同的编码方法有不同的算法和压缩率，可以根据实际需求选择合适的编码方法。
五、误差分析声音信号的数字化过程中，由于采样、量化和编码等步骤的限制，会引入一定的误差。
采样定理规定了采样频率应该是信号最高频率的2倍以上，否则会出现混叠现象，导致信号失真。
量化误差是指量化过程中由于离散化导致的信号失真，量化级数越高，量化误差越小。
编码误差则是指数字信号与原始声音信号之间的差异，不同的编码方法有不同的误差特性。
六、数字化声音的应用数字化声音在现代通信、娱乐和音乐等领域有着广泛的应用。
在通信领域，数字化声音可以通过网络传输，实现远程通话和视频会议等功能。
在娱乐领域，数字化声音可以用于制作电影、游戏和音乐等多媒体作品。
在音乐领域，数字化声音可以实现音乐的录制、编辑和复制等功能，提高音乐创作和制作的效率。
七、总结通过采样、量化和编码等步骤，声音信号可以被数字化，并以数字信号的形式进行处理和传输。
量化与量化误差第二节
02 量化误差的影响
量化误差对测量结果的影响
01
02
03
测量精度降低
量化误差会导致测量 结果 的精度降低，使得测量结 果与真实值存在偏差。
测量范围受限
在某些情况下，量化误差 可能导致测量结果超出预 期范围，从而影响测量结 果的可用性。
测量可靠性下降
由于量化误差的存在，相 同的输入数据可能会产生 不同的输出结果，从而影 响测量的可靠性。
对测量设备进行校准减小量 化误差。
详细描述
定期对测量设备进行校准， 确保其性能稳定并符合精度 要求，从而减小由于设备老 化或配置不当引起的误当导致测量结果偏离真实值。
详细描述
测量设备配置不当时，如量程选择不当或传感器灵敏度过低，可能导 致测量结果误差较大。
测量方法引起的量化误差案例
总结词
测量方法不完善或理论误差导致测量结果 偏离真实值。
总结词
测量方法操作不规范导致测量结果偏离真 实值。
详细描述
某些测量方法本身存在理论误差，如用欧 姆表测量电阻时，由于表内电池电压随时 间变化，导致测量结果存在误差。
根据测量需求和目标，选择合适的测量方法，确保能够准确反映 被测量对象的特性。
遵循标准操作程序
按照标准操作程序进行测量，避免因操作不当导致的误差。
多次测量求平均值
对同一被测量对象进行多次测量，取平均值作为最终结果，能够 减小随机误差的影响。
加强测量过程的控制
制定详细的测量计划
01
在测量前制定详细的计划，明确测量步骤、要求和注意事项，
详细描述
在实施测量方法时，操作不规范或忽略某 些细节，如未进行校准、读数不准确等， 可能引入较大的误差。
测量过程控制不当引起的量化误差案例
信号处理的基本知识
传感器类型：根据传感器各构成部分工作方式的不同，可将传感器分成不同的类型；依据接收方式不同，有相对式和绝对式（惯性式）之分；依据机电转换输出量的不同又有发电机型和参数型两种类型。
测量电路可输出不同的关系特性，以适应不同的测试要求。
如位移（间隙）电压特性、速度电压特性、加速度电压特性等等。
所谓相对接收方式，是指以传感器外壳为参考坐标，借助于顶杆或间隙的变化来直接接收机械振动量的一种工作方式。
获得的结果是以外壳为参考坐标的相对振动值。
惯性接收方式通过质量-弹簧单自由度振动系统接收被测振动量，工作时，其外壳固定在振动物体上，整个传感器（包括质量块在内）跟着振动物体一起振动，但其中的机电转换环节---线圈由于是用极为柔软的弹簧片固定在外壳上的，它的自振频率比振动体的振动频率低的多，因而对振动体而言便处于相对静止的状态，换句话说，线圈是固定不动的，是一个绝对参考坐标系统，所以测得的结果是绝对振动值。
惯性接收方式有时也称为地震式。
传感器的性能指标灵敏度：指沿着传感器测量轴方向对单位振动量输入x可获得的电压信号输出值u，即s=u/x。
与灵敏度相关的一个指标是分辨率，这是指输出电压变化量△u可加辨认的最小机械振动输入变化量△x的大小。
为了测量出微小的振动变化，传感器应有较高的灵敏度。
使用频率范围：指灵敏度随频率而变化的量值不超出给定误差的频率区间。
其两端分别为频率下限和上限。
为了测量静态机械量，传感器应具有零频率响应特性。
传感器的使用频率范围，除和传感器本身的频率响应特性有关外，还和传感器安装条件有关（主要影响频率上限）。
动态范围：动态范围即可测量的量程，是指灵敏度随幅值的变化量不超出给定误差限的输入机械量的幅值范围。
在此范围内，输出电压和机械输入量成正比，所以也称为线性范围。
动态范围一般不用绝对量数值表示，而用分贝做单位，这是因为被测振值变化幅度过大的缘故，以分贝级表示使用更方便一些。
相移：指输入简谐振动时，输出同频电压信号相对输入量的相位滞后量。
数据采集与处理技术试卷
数据采集与处理技术试卷⼀、绪论（⼀）、1、“数据采集”是指什么？将温度、压⼒、流量、位移等模拟量经测量转换电路输出电量后再采集转换成数字量后,再由PC 机进⾏存储、处理、显⽰或打印的过程。
2、数据采集系统的组成?由数据输⼊通道，数据存储与管理，数据处理,数据输出及显⽰这五个部分组成。
3、数据采集系统性能的好坏的参数？取决于它的精度和速度。
4、数据采集系统具有的功能是什么?(１）、数据采集，(2）、信号调理,(３）、⼆次数据计算,（4）、屏幕显⽰,(５)、数据存储，（６）、打印输出，(7)、⼈机联系。
5、数据处理系统的分类？分为预处理和⼆次处理两种；即为实时（在线)处理和事后（脱机）处理。
6、集散式控制系统的典型的三级结构?⼀种是⼀般的微型计算机数据采集系统，⼀种是直接数字控制型计算机数据采集系统，还有⼀种是集散型数据采集系统。
７、控制⽹络与数据⽹络的结合的优点?实现信号的远程传送与异地远程⾃动控制。
（⼆)、问答题：1、数据采集的任务是什么?数据采集系统的任务:就是传感器输出信号转换为数字信号,送⼊⼯业控制机机处理,得出所需的数据。
同时显⽰、储存或打印，以便实现对某些物理量的监视，还将被⽣产过程中的PC机控制系统⽤来控制某些物理量。
2、微型计算机数据采集系统的特点是（1）、系统结构简单;（2）、微型计算机对环境要求不⾼;(3)、微型计算机的价格低廉，降低了数据采集系统的成本；(4)、微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的⼀个基本组成部分；（5)、微型计算机的各种Ｉ／O模板及软件齐全，易构成系统,便于使⽤和维修;3、简述数据采集系统的基本结构形式,并⽐较其特点？（１）、⼀般微型计算机数据采集与处理系统是由传感器、模拟多路开关、程控放⼤器、采样／保持器、A／D转换器、计算机及外设等部分组成。
（2)、直接数字控制型数据采集与处理系统(DＤＣ）是既可对⽣产过程中的各个参数进⾏巡回检测，还可根据检测结果,按照⼀定的算法，计算出执⾏器应该的状态(继电器的通断、阀门的位置、电机的转速等)，完成⾃动控制的任务。
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实验五采样信号量化误差分析
一. 实验目的
1. 通过本实验熟悉a/d、d/a变换中的量化误差。
2. 了解a/d、d/a器件位数与量化误差的关系。
二. 实验原理
把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为模-数（a/d）转换过程，反之则称为数-模（d/a）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序．一般在进行a/d转换之前，需要将模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，再经a/d转换成为数字信号，最后送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理．如果需要，再由d/a转换器将数字信号转换成模拟信号，去驱动计算机外围执行元件或模拟式显示、记录仪等。
a/d转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图5.1所示。
图5.1 信号a/d转换过程
1）采样--或称为抽样，是利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（nts）的过程．n= 0，1…．tst称为采样间隔，或采样周期，1／ts = fs 称为采样频率。
由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。
正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。
2）量化--又称幅值量化，把采样信号x（nts）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。
若取信号x（t）可能出现的最大值a，令其分为d个间隔，则每个间隔长度为r=a/d，r称为量化增量或量化步长。
当采样信号x（nts）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差，如图5.2所示。
一般又把量化误差看成是模拟信号作数字处理时的可加噪声，故而又称之为舍入噪声或截尾噪声。
量化增量d愈大，则量化误差愈大，量化增量大小，一般取决于计算机a/d卡的位数．例如，8位二进制为28=256，即量化电平r为所测信号最大电压幅值的1／256。
图5.2 信号的6等分量化过程
3）编码--将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。
信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。
本实验采用软件模拟的方法来演示不同等分情况下对数据采集的影响。
三. 实验仪器和设备
1. 计算机 n台
2. drvi快速可重组虚拟仪器平台 1套
3. 打印机 1台
四. 实验步骤及内容
1. 启动服务器，运行drvi主程序，开启drvi数据采集仪电源，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。
联机注册成功后，分别从drvi工具栏和快捷工具条中启动"drvi微型web服务器"和"内置的web服务器"，开始监听8500和8600端口。
2. 打开客户端计算机，启动计算机上的drvi客户端程序，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器ip地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。
3. 在drvi软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器ip地址:8600/gccslab/index.htm"，打开web版实验指导书，在实验目录中选择"采样信号量化误差分析"实验，根据实验原理和要求设计该实验。
4. 该实验首先需要设计一个正弦信号发生器，来提供原始信号，drvi中提供了一个"数字信号发生器"芯片，将其中的"信号类型"设置为2就可以产生正弦信号，再用一片"启/停按钮"芯
片控制信号是否产生；为计算信号的量化误差，需要添加一片"信号量化误差计算"芯片，同时，为了便于对等分数的选择，使用一片"数字调节按钮"芯片，并将其步长设置为2；另
外选择二片"波形/频谱显示"芯片，用于显示原始波形和经量化误差芯片处理后的波形；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入2片"内存条"芯片，扩展2条数组型数据线，用于存储动态数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以完成"采样信号量
化误差"实验的设计过程。
所需的虚拟仪器软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图5.3所示，根据该原理设计图在drvi软面包板上插入上述软件芯片，然后修改芯片属性窗中相应的连线参数就可完成该实验的搭建过程。
图5.3 采样信号量化误差实验原理设计图
5. 对于"数字调节按钮"芯片，将其最大值设置为64，最小值设置为2，"步长"设置为2即
每调节一次数字跳变数为2，"输入线号"设置为2即和"信号量化误差计算"芯片的"满量程等分数线号"的值相同，使得每改变一次"数字调节按钮"的数值，就相应的改变"信号量化误差计算"芯片的等分计算数值，同时，修改"信号量化误差计算"芯片的"输入波形存储芯片号"为6000，"输出波形存储芯片号"为6001，在此特别举例说明设置方法。
图5.4 "数字调节按钮"芯片参数设置样例图5.5 "信号量化误差计算"芯片参数设置样例
6. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，在弹出的浏览器窗口中用"全选"功能选择所有脚本信息，然后选?quot;复制"。
返回到drvi的客户端，点击客户端软件快捷工具条中的"粘贴ic 资源脚本"图标，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。
实验效果图如图5.6所示。
图5.6 采样信号的量化误差实验
7. 点击"采样信号量化误差"实验中的"运行"按钮，然后在"等分数"选择框中选择各种不同的等分数，并分析和观察等分数从低到高时量化误差的大小和对信号波形的影响。
五. 实验报告要求
1. 简述实验目的和原理。
2. 根据实验要求整理实验原理设计图。
3. 根据实验中的数据结果分析采样分辨率对信号转换精度的影响。
六. 思考题
1. 常用的a/d转换器件的位数有那几种，以输入的模拟电压的变化范围为-5v—+5v之间，对于几种不同的位数，其分辨率和转换精度分别为多少？
2. 实际测量中是否a/d转换器件的位数越高越好，如何合理的选择一个a/d转换器件？。