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第三節(jié)  數(shù)字信號(hào)

一、 考試大綱 的規(guī)定

數(shù)字信號(hào)的邏輯編碼與邏輯演算;數(shù)字信號(hào)的數(shù)值編碼與數(shù)值運(yùn)算。

 

二、重點(diǎn)內(nèi)容

1 .?dāng)?shù)字信號(hào)的數(shù)值編碼

數(shù)字信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字符號(hào)“ 0 和“ 1 的物理實(shí)現(xiàn)形式,用它來表示數(shù)值并進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算,就必須采取二進(jìn)制形式表示數(shù)。二進(jìn)制數(shù)的位按從右向左的順序排列,分別記為第0位,第 1 位,第 2 位, 。最右邊的位稱為最低位,記為 lsb list significant bit ;最左邊的位稱為最高位,記為 msb most significant bit )。每一位稱為一個(gè)比特 bit ,二進(jìn)制數(shù)的每一位對(duì)應(yīng)于數(shù)字信號(hào)的一個(gè)脈動(dòng)位置,故一個(gè) n bit 的二進(jìn)制數(shù)可以用一個(gè) n bit 的數(shù)字信號(hào)來表示。

在數(shù)字系統(tǒng)中,通常以 4bit 代碼為基本單元來編碼數(shù),基本單元組可以表示 2416 個(gè)數(shù),故從技術(shù)的角度,以 16 為基數(shù)按十六進(jìn)制來表示數(shù)較為合理,所以計(jì)算機(jī)技術(shù)中使用十六進(jìn)制數(shù)或十六進(jìn)制代碼進(jìn)行數(shù)的運(yùn)算和信息的處理。表 731 列出的是二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)的對(duì)照表,為便于區(qū)別,在十六進(jìn)制數(shù)代碼后面加上一個(gè)字母 h 作為標(biāo)記。

二進(jìn)制數(shù)、十進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù),以及八進(jìn)制數(shù)等,統(tǒng)稱 r 進(jìn)制數(shù)。 r 進(jìn)制數(shù)需注意的是: r 進(jìn)制數(shù)中的最大數(shù)符為 r1 ,而不是 r 每一數(shù)符只能用一個(gè)字符來表示。不同計(jì)數(shù)制之間的轉(zhuǎn)換,具體如下:

 

1 r 進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)

基數(shù)為r的數(shù)字,在將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)時(shí),只要將各位數(shù)字與它的位權(quán)相乘的積相加,其和數(shù)就是十進(jìn)制數(shù)。如下列:

二進(jìn)制數(shù)( 1101101 . 01 2 轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù),則:

 

2 )十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為 r 進(jìn)制數(shù)

將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為基數(shù)為 r 的等效數(shù)值,可將此十進(jìn)制數(shù)分成整數(shù)和小數(shù)兩部分分別進(jìn)行各自的轉(zhuǎn)換,然后再拼接起來即可。對(duì)于十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)部分,采用“除 r 記余”法,即用十進(jìn)制數(shù)的整數(shù)連續(xù)地除以 r ,其余數(shù)即為 r 進(jìn)制的各位系數(shù)。如下列:

對(duì)于十進(jìn)制數(shù)的小數(shù)部分,可采用“乘 取整”法,即小數(shù)部分連續(xù)地乘以r,直到小數(shù)部分為0或達(dá)到所要求的精度為止(小數(shù)部分可能永不會(huì)為0 ,得到的整數(shù)即組成 r 進(jìn)制的小數(shù)部分。如下例:

所以,( 0.125 10 0.001 2

需注意的是,十進(jìn)制小數(shù)常常不能完整準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成等值的二進(jìn)制小數(shù)(或其他 r 進(jìn)制數(shù)),通常會(huì)有轉(zhuǎn)換誤差存在。

將十進(jìn)制數(shù) 17.125 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù),即為: 17.125 10 1001 . 001 2

同理,將十進(jìn)制數(shù) 987 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制,如下:

所以, 987 10=( 3db 16

3 )二、八、十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換

由于二、八、十六進(jìn)制數(shù)的權(quán)之間有內(nèi)在的聯(lián)系,即 238 , 2416 ,即每位八進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于三位二進(jìn)制數(shù),每位十六進(jìn)制數(shù)相當(dāng)于四位二進(jìn)制數(shù),反之亦然。在轉(zhuǎn)換時(shí),位組的劃分是以小數(shù)點(diǎn)為中心向左、右兩邊分別進(jìn)行,中間的0不能省略,兩頭不夠時(shí)可以補(bǔ)0

如下例:將( 10110001 . 00101 2 轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù),則:

將( 3 afb . 4b 16 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù),則:

同樣,將(10101001 . 00101 2 轉(zhuǎn)換為八進(jìn)制數(shù),則:

所以, 10101001 . 00101 2=( 251 . 12 8

將( 2 6 . 53 8 轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù),則:

所以, 26 . 53 8 = 10110 . 101011 2

2 .?dāng)?shù)字信號(hào)的數(shù)值運(yùn)算

除了進(jìn)位規(guī)則不同外,二進(jìn)制數(shù)的算術(shù)運(yùn)算法則與十進(jìn)制數(shù)相同。

1 )加法,它是以最低位開始逐位完成兩數(shù)相加和進(jìn)位操作。

2 )減法,先引人反碼、補(bǔ)碼的概念,反碼是一個(gè)二進(jìn)制數(shù)按位取反,即變 1 , 1 0。后組成的代碼。如數(shù) 1010的反碼是 0101 ;補(bǔ)碼是一個(gè)數(shù)的反碼加 1 后所得的代碼。如數(shù) 1010 的反碼是 0101 ,其補(bǔ)碼為:0101 + 1 0110 。補(bǔ)碼原理是:一個(gè)數(shù)和另一個(gè)數(shù)相加等于零,則這個(gè)數(shù)和另一個(gè)數(shù)的大小相等符號(hào)相反,則其中一個(gè)數(shù)的代碼就是另一個(gè)數(shù)的補(bǔ)碼。如數(shù) 1010與它的補(bǔ)碼 0110 之和: 1010 0110=(1 0000 ,舍去進(jìn)位后正好是 0

因此,在二進(jìn)制數(shù)減法運(yùn)算中,將減法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為被減數(shù)代碼和減數(shù)補(bǔ)碼之間的加法運(yùn)算。

此外,為了區(qū)分正數(shù)和負(fù)數(shù),在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi),把二進(jìn)制代碼的最高位作為符號(hào)位0 表示正數(shù), 1 表示負(fù)數(shù)。由此,一組 4bit 代碼所能表示的正數(shù)、負(fù)數(shù)如表 7 32 所示。

 

3 )乘法,二進(jìn)制的乘法也是從右向左逐位操作的,如圖 731 a )所示。從圖 7 31 a)可發(fā)現(xiàn):它實(shí)際上是由一系列“移動(dòng)”和“相加”操作組成,即被乘數(shù)逐步左移并逐步相加即可完成乘法計(jì)算。

4 )除法,二進(jìn)制數(shù)除法運(yùn)算也是從左向右操作的,如圖 7 3 1 b )所示。

從圖 73 1 b )可發(fā)現(xiàn):它實(shí)際上是由一系列“移動(dòng)”和“相減”操作組成,即以被除數(shù)逐步右移并逐步與被減數(shù)相減的方式完成除法運(yùn)算。可見,二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算都可以用它的代碼“移位”和“”(相減轉(zhuǎn)換為補(bǔ)碼后相加)兩種操作來實(shí)現(xiàn)。

由此,它們可以用數(shù)字信號(hào)的“移位”和數(shù)字信號(hào)的“相加”操作由移位寄存器電路來實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)。

3.?dāng)?shù)字信號(hào)的邏輯編碼和邏輯運(yùn)算

在邏輯體系中,對(duì)邏輯命題只做“真”或“假”、“是”或“非”、“有”和“無”等的簡(jiǎn)單判斷,即邏輯命題只取兩個(gè)值,用代碼形式可表示為“0或“ 1 兩種狀態(tài)。對(duì)邏輯函數(shù)則只做“與”、“或”、“非”三種基本的運(yùn)算。數(shù)字邏輯體系是指用數(shù)字信號(hào)表示并采用數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)演算的一種邏輯體系。數(shù)字邏輯是二值的,即“0 l ”表示邏輯變量的取值, " 0表示“假” f ; " 1 " 表示“真” t)。邏輯運(yùn)算法則,它表述的是一些邏輯等價(jià)關(guān)系。在邏輯問題中,兩個(gè)真值完全相同的邏輯命題或表達(dá)或相互等價(jià)。常用的等價(jià)關(guān)系見表 733 。表中,反演率也稱為摩根定理。邏輯函數(shù)的化簡(jiǎn),其目的是簡(jiǎn)化其表達(dá)式,凸顯其內(nèi)在邏輯關(guān)系,并簡(jiǎn)化邏輯運(yùn)算電路的組成。但是,在邏輯運(yùn)算電路中要考慮邏輯系統(tǒng)組建的技術(shù)因素,故邏輯表達(dá)式的簡(jiǎn)化形式并非“越簡(jiǎn)越好”。

當(dāng)用數(shù)字信號(hào)表示邏輯變化的取值情況,邏輯函數(shù)的演算即可以通過數(shù)字信號(hào)處理的方法來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字系統(tǒng)中,使用專門制作的各種邏輯門電路來自動(dòng)地完成數(shù)字信號(hào)之間按位的邏輯運(yùn)算,并將這些基本的邏輯門電路組合起來組建成組合邏輯系統(tǒng),就可以完成任意復(fù)雜的邏輯函數(shù)的運(yùn)算。

4 .模一數(shù)( a / d )轉(zhuǎn)換和數(shù)一模( d / a )轉(zhuǎn)換

1 )模一數(shù)( a / d )轉(zhuǎn)換

a / d 轉(zhuǎn)換是對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行幅值量化處理,即用二進(jìn)制代碼來表示采樣瞬間信號(hào)的值,也即用“0、“ 1 代碼對(duì)采樣信號(hào)的值進(jìn)行編碼,從而將采樣信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。可見, a / d 轉(zhuǎn)換是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行編碼,變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于系統(tǒng)誤差和外界干擾的影響, a / d 轉(zhuǎn)換中會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。如一個(gè) 8 位的逐次比較型 a / d 轉(zhuǎn)換器組成一個(gè)5v量程的直流數(shù)字電壓表,該直流數(shù)字電壓表存在一個(gè)字的誤差,即一個(gè)量化單位的誤差。一個(gè) 8 位逐次比較型 a / d 轉(zhuǎn)換器可以完成 255 28 l 個(gè)階梯形逐次增長(zhǎng)的電壓,并與被測(cè)電壓進(jìn)行比較。而 5v 量程,則需經(jīng)過 255 次的比較才完成對(duì) 5v 電壓的測(cè)量,所以,每一個(gè)階梯的電壓值即一個(gè)量化單位為:

所以它的一個(gè)字的誤差為19.61mv ,相應(yīng)的滿量程測(cè)量精度為: 19.6078mv / 5v = 0. 392 %。

2)數(shù)一模(d / a )轉(zhuǎn)換 d / a 轉(zhuǎn)換

則是對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解碼,將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。從工程技術(shù)的角度, d / a 轉(zhuǎn)換只需用簡(jiǎn)單的電阻網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)。

6.邏輯函數(shù) fab + ab 簡(jiǎn)化結(jié)果為(c)。

a . a +

b . a

c . a + b

d . ab