Analoge zu digitale Signalumwandlung
Um ein analoges Signal (Ton, Bild) in ein digitales Format umzuwandeln, müssen drei grundlegende Vorgänge ausgeführt werden: Abtasten, Quantisieren und Codieren.
Probenahme
– Darstellung eines kontinuierlichen analogen Signals mittels einer Folge seiner Werte (Abtastwerte). Diese Proben werden zu Zeiten entnommen, die durch ein Intervall voneinander getrennt sind, das als Abtastintervall bezeichnet wird. Der Kehrwert des Intervalls zwischen den Abtastwerten wird als Abtastrate bezeichnet. In Fig. 1 ist das ursprüngliche analoge Signal und seine abgetastete Version gezeigt. Die Bilder unter den Zeitdiagrammen werden unter der Annahme erhalten, dass die Signale einzeilige Fernsehvideosignale sind, die für den gesamten Fernsehbildschirm gleich sind.
Analog-Digital-Wandlung. Probenahme
Es ist klar, dass die Differenz zwischen dem Originalsignal und seiner abgetasteten Kopie umso geringer ist, je kürzer das Abtastintervall und damit die Abtastfrequenz ist. Die Stufenstruktur des abgetasteten Signals kann mit einem Tiefpassfilter geglättet werden. Auf diese Weise wird das analoge Signal aus dem abgetasteten wiederhergestellt. Die Rekonstruktion ist jedoch nur dann genau, wenn die Abtastfrequenz mindestens das Zweifache der Bandbreite des ursprünglichen analogen Signals beträgt (diese Bedingung wird durch den bekannten Kotelnikov-Satz bestimmt). Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, geht die Probenahme mit irreversiblen Verzerrungen einher. Tatsache ist, dass infolge der Abtastung zusätzliche Komponenten im Frequenzspektrum des Signals auftreten, die um die Harmonischen der Abtastfrequenz im Bereich liegen, was der doppelten Bandbreite des ursprünglichen analogen Signals entspricht. Wenn die maximale Frequenz im Frequenzspektrum des analogen Signals die Hälfte der Abtastfrequenz überschreitet, fallen die zusätzlichen Komponenten in das Frequenzband des ursprünglichen analogen Signals. In diesem Fall ist es nicht mehr möglich, das ursprüngliche Signal ohne Verzerrung wiederherzustellen. Die Theorie der Probenahme wird in vielen Büchern behandelt.
Analog-Digital-Wandlung. Verzerrungsabtastung
Ein Beispiel für Abtastverzerrungen ist in Fig. 2 gezeigt. Ein analoges Signal (wieder angenommen, es ist ein TV-Leitungsvideosignal) enthält eine Welle, deren Frequenz zuerst von 0,5 MHz auf 2,5 MHz ansteigt und dann auf 0,5 MHz abnimmt. Dieses Signal wird mit 3 MHz abgetastet. In Fig. 2 sind die Bilder nacheinander gezeigt: das ursprüngliche analoge Signal, das abgetastete Signal, das wiederhergestellte analoge Signal nach dem Abtasten. Das Tiefpass-Rekonstruktionsfilter hat eine Bandbreite von 1,2 MHz. Wie Sie sehen können, werden die Niederfrequenzkomponenten (weniger als 1 MHz) ohne Verzerrung wiederhergestellt. Die 1,5-MHz-Welle verschwindet und wird zu einem relativ flachen Feld. Die 2,5-MHz-Welle nach der Wiederherstellung wurde zu einer 0,5-MHz-Welle (dies ist der Unterschied zwischen der 3-MHz-Abtastfrequenz und der ursprünglichen 2,5-MHz-Frequenz). Diese Bilddiagramme veranschaulichen die Verzerrung, die mit einer unzureichend hohen räumlichen Abtastrate des Bildes verbunden ist. Wenn das Subjekt der Fernsehaufzeichnung ein Objekt ist, das sich sehr schnell bewegt, oder beispielsweise ein rotierendes Objekt, können Abtastverzerrungen im Zeitbereich auftreten. Ein Beispiel für eine Verzerrung, die mit einer unzureichend hohen Abtastrate verbunden ist (und dies ist die Bildrate des Fernsehabfalls), ist ein Bild eines sich schnell bewegenden Autos auf stationären Rädern oder beispielsweise eines langsamen Drehens der Speichen in die eine oder andere Richtung Rad (stroboskopischer Effekt) Es gibt keine Abtastverzerrung, wenn die Bandbreite des Originalsignals von oben begrenzt ist und die Hälfte der Abtastfrequenz nicht überschreitet. verbunden mit einer unzureichend hohen räumlichen Abtastrate des Bildes. Wenn das Subjekt der Fernsehaufzeichnung ein Objekt ist, das sich sehr schnell bewegt, oder beispielsweise ein rotierendes Objekt, können Abtastverzerrungen im Zeitbereich auftreten. Ein Beispiel für eine Verzerrung, die mit einer unzureichend hohen Abtastrate verbunden ist (und dies ist die Bildrate des Fernsehabfalls), ist ein Bild eines sich schnell bewegenden Autos auf stationären Rädern oder beispielsweise eines langsamen Drehens der Speichen in die eine oder andere Richtung Rad (stroboskopischer Effekt) Es gibt keine Abtastverzerrung, wenn die Bandbreite des Originalsignals von oben begrenzt ist und die Hälfte der Abtastfrequenz nicht überschreitet.