采样是指用每隔一定时间的信号样值序列来代替原来在时间上连续的信号，也就是在时间上将模拟信号离散化。

把连续信号转换成离散信号的过程称为采样过程(sampling process)，这一过程是通过采样开关(采样器)实现的。

采样过程的物理意义是单位理想脉冲序列δT(t)被输入信号f(t)进行幅值调节的过程。

中文名

采样过程

外文名

sampling process

涉及领域

信息领域方    式

采样开关

目    的

连续信号转换成离散信号

物理意义

理想脉冲序列被输入信号幅值调节

采样过程采样

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采样(sampling)也称取样，指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程。也指把模拟音频转成数字音频的过程。

每秒钟的采样样本数叫做采样频率。采样位数可以理解为采集卡处理声音的解析度。采样是将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用，转换成时间上离散(时间上有固定间隔)、但幅值上仍连续的离散模拟信号。所以采样又称为波形的离散化过程。

采样过程简介

解释1

所谓采样(sampling)就是采集模拟信号的样本。

解释2

把模拟音频转成数字音频的过程,就称作采样，所用到的主要设备便是模拟/数字转换器(Analog to Digital Converter，即ADC，与之对应的是数/模转换器,即DAC)。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。采样的频率越大则音质越有保证。由于采样频率一定要高于录制的最高频率的两倍才不会产生失真，而人类的听力范围是20Hz～20KHz，所以采样频率至少得是20k×2=40KHz，才能保证不产生低频失真，这也是CD音质采用44.1KHz(稍高于40kHz是为了留有余地)的原因。

通过周期性地以某一规定间隔截取音频信号，从而将模拟音频信号变换为数字信号的过程。每次采样时均指定一个表示在采样瞬间的音频信号的幅度的数字。

采样过程分类

图1 周期采样

采样就是通过采样开关的作用将连续信号变成脉冲序列的过程。上图1所示为一种周期采样的方式。所谓周期采样，就是采样开关按一定的时间间隔开闭。该时间间隔称为采样周期，通常用T表示。

除了周期采样以外，还有一些其他的采样方式。[1]

1)等周期同步采样：多个采样开关等周期同时开闭。

2)等周期异步采样：多个采样开关等周期但不同时开闭。

3)多阶采样：各采样开关以不同的周期开闭。

4)随机采样：开关动作随机，没有周期性。

采样过程采样频率

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每秒钟的采样样本数叫做采样频率。

采样频率越高，数字化后声波就越接近于原来的波形，即声音的保真度越高，但量化后声音信息量的存储量也越大。

采样频率与声音频率之间的关系：

根据采样定理，只有当采样频率高于声音信号最高频率的两倍时，才能把离散模拟信号表示的声音信号唯一地还原成原来的声音。

目前在多媒体系统中捕获声音的标准采样频率定为44.1kHz、22.05kHz和11.025kHz三种。而人耳所能接收声音频率范围大约为20Hz--20KHz，但在不同的实际应用中，音频的频率范围是不同的。例如根据CCITT公布的声音编码标准，把声音根据使用范围分为以下三级：

·电话语音级：300Hz-3.4kHz

·调幅广播级：50Hz-7kHz

·高保真立体声级：20Hz-20kHz

因而采样频率11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz正好与电话语音、调幅广播和高保真立体声(CD音质)三级使用相对应。

DVD标准的采样频率是96kHz

采样过程采样位数

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采样位数可以理解为采集卡处理声音的解析度。这个数值越大，解析度就越高，录制和回放的声音就越真实。我们首先要知道：电脑中的声音文件是用数字0和1来表示的。所以在电脑上录音的本质就是把模拟声音信号转换成数字信号。反之，在播放时则是把数字信号还原成模拟声音信号输出。采集卡的位是指采集卡在采集和播放声音文件时所使用数字声音信号的二进制位数。采集卡的位客观地反映了数字声音信号对输入声音信号描述的准确程度。8位代表2的8次方--256，16位则代表2的16次方--64K。比较一下，一段相同的音乐信息，16位声卡能把它分为64K个精度单位进行处理，而8位声卡只能处理256个精度单位，造成了较大的信号损失，最终的采样效果自然是无法相提并论的。

如今市面上所有的主流产品都是16位的采集卡，而并非有些无知商家所鼓吹的64位乃至128位，他们将采集卡的复音概念与采样位数概念混淆在了一起。如今功能最为强大的采集卡系列采用的EMU10K1芯片虽然号称可以达到32位，但是它只是建立在Direct Sound加速基础上的一种多音频流技术，其本质还是一块16位的声卡。应该说16位的采样精度对于电脑多媒体音频而言已经绰绰有余了。

采样过程简介

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众所周知，微型计算机只能接受和处理数字信号，而工程上许多情况下被控参数是时间的连续函数，如温度、流量、液位、电动机的转速等。所以在计算机控制系统中，需要将连续时间信号转换成数字信号，才’能送入计算机进行运算和处理，这一过程是由A/D转换器实现的;计算机对输入的数字信号按照预先确定的控制算法进行处理，得到控制信号，再由D/A转换器变成连续信号，通过执行元件作用被控对象实现自动控制。因此，在计算机控制系统中，必须考虑连续信号和离散信号的相互转换问题。[2]

把连续信号转换成离散信号的过程称为采样过程，这一过程是通过采样开关(采样器)实现的。

图2 采样过程

采样过程如图2所示，连续信号x(t)作用在采样开关的输入端，采样开关每隔时间T瞬时闭合一次，在采样开关的输出端就得到了离散信号x*(t) 。 x*(t)是连续信号x(t)在采样时刻的一系列瞬时值，可以看成是一个脉冲序列，每个脉冲的幅值依次为x(0T) , x(1T) , x(2T)...，每个脉冲出现的时刻依次为0T、1T、2T..称为采样周期。则x (t)可以表示为

设采样的器每隔T秒闭合一次(接通一次)。接通时间为τ

采样器可用一个周期性闭合的采样开关S表示，f(t)—输入连续信号，f*(t)为定宽度等于τ的调幅脉冲序列，在采样瞬时nT(n=0.1.2.3…)时出现

采样过程采样过程

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采样过程过程

t=0时采样器闭和τ秒f*(t)=f(t)

t=τ秒时采样器打开f*(t)=0

以后每隔T秒重复一次，丢失采样的信息。

由于采样器(采样开关闭合时间τ很小)。τ<

f*(t)可以认为是输入连续信号f(t)调制在找到δT(t)上的结果。理想脉冲序列

采样过程物理意义

采样过程是单位理想脉冲序列δT(t)被输入信号f(t) 进行幅值调节的过程[3]

采样过程几点说明

(1)f*(t)只描述了f(t)在采样瞬时的数值，故F*(s)不能给出连续函数f(t)在采样间隔之间的信息

(2)采样拉氏变换F*(s)与连续信号f(t)的拉氏变换F(s)类似如f(t)有理函数，F*(s)也总可以表示成有理函数形式。

(3)求F*(S)过程中，初始值常规定采用f(0+)。

采样过程采样过程的数学描述

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在理想的采样过程中，连续信号经采样开关的周期性采样后，得到的每个采样脉冲的强度等于连续信号在采样时刻的幅值。因此，理想采样开关可以看做一个脉冲调制器，采样过程可以看做一个单位脉冲序列被输入信号e(t)进行幅值调制的过程，理想采样过程如图3所示。

图3 理想采样过程

其中，单位脉冲序列

为载波信号，

为调制信号。

当时，输出信号可表示为

式为理想采样过程的数学表达式。

对于实际采样过程，将连续信号e(t)加到采样开关的输入端，若采样开关每隔周期T闭合一次，每次闭合时间为τ，则在采样开关的输出端得到脉宽为下的调幅脉冲序列e*(t)。实际采样过程如图4所示。

图4

由于采样开关闭合时间f很小，远远小于采样周期r，故e(t)在下时间内变化甚微，可以近似认为在该时间内采样值不变。所以e*(t)可近似视为一个脉宽为τ，高度为e(kt)。

采样过程采样定理

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1.对连续信号进行等间隔采样形成采样信号，采样信号的频谱是原连续信号频谱以采样频率为周期进行周期性地延拓形成。

2.设连续信号属于带限信号，最高截止频率为Ω，如果采样频率大于或者等于2Ω，那么采样信号通过一个增益为T，截止频率为Ω/2地理想低通滤波器，可以唯一回复出原连续信号，否则会造成频率混叠现象，不可能无失真还原原信号

实际上我们在实际应用中考虑到信号的频谱不是锐截止，最高截止频率上还有较小的高频分量，所以实际工程中选用，不且加入低通滤波器滤去高频分量

词条图册

更多图册

参考资料

1.

李素玲，胡健，季画等编著．自动控制理论：机械工业出版社，2012：237

2.

曾庆波．微型计算机控制技术：电子科技大学出版社，2013：98

3.

马明建．数据采集与处理技术：西安交通大学出版社，2012：25