取樣頻率

取樣頻率就是把聲音這種模擬訊號轉成計算機可以辨識的數字訊號，在轉換過程中將聲波的波形以微分方式切開成許多單位，再把每個切開的聲波以一個數值來代表該單位的一個量，以此方式完成取樣的工作，而在單位時間內切開的數量便是所謂的取樣頻率。

基本介紹

• 中文名：取樣頻率
• 外文名：Sample Rate
• 方式：模擬訊號轉化為數字訊號
• 類別：數字通訊技術
• 套用：VCD音頻信號與視頻信號的轉換等
• 影響因素：取樣脈衝的形狀與寬度

簡介

在單位時間內取樣的數量越多就會越接近原始的模擬訊號，在將數字訊號還原成模擬訊號時也就越能接近真實的原始聲音；相對越高的取樣率，資料的大小就越大，反之則越小，當然也就越不真實了。數字資料量的大小與聲道數、取樣率、音質解析度有著密不可分的關。

在一般的音效卡上，取樣頻率至少要能提供22.05KHz、32KHz、44.1 KHz以及48KHz，如果能夠提供更多的選擇會更好，不過當前的一般音效卡最高的取樣率都是在48 KHz，若需要更高的取樣率的話，就必須選擇較為專業的錄音卡了。

取樣頻率的一般方法

將模擬信號取樣後，就可以使用幾個位表示一個外在的物理量。但由於模擬信號是連續且不中斷的，如果一定要完全地將模擬信號一五一十地重現，理論上應該使用非常高的取樣頻率將模擬信號輸入計算機中。不過，DAQ卡也有其限制，不太可能使用過高的取樣頻率作取樣的操作，因此當我們針對系統作初步分析時也要一併考慮DAQ卡所能提供的最高速度。

一般的數據採集卡使用每秒鐘取樣的數據點作為該DAQ卡所擁有的取樣速度。例如某DAQ卡上標明100 kS/s，即表示該DAQ卡每秒鐘可以取樣100K(10萬)個取樣點。通常這個速度表示該DAQ卡在單一通道下的最高數據採集速度，由於DAQ卡所擁有的採集通道通常是8個或是16個以上，因此將採集頻率平均分散到各個通道，每個通道可以分配到的採集速度自然就下降了。

DAQ卡的取樣速度較高時，此DAQ卡的價格通常也比較高，此DAQ卡在同一個時間內可以取得的數據量當然也就比較高。從信號的頻域角度來看，較高的取樣速度也可以取得較高頻率的信號。取得較高的數據量除了可以察看的信號頻寬較大之外，還得考慮在編寫程式的過程中所隱含的記憶體需求量的問題。因為較大的數據量勢必需要較大的記憶體空間來存儲這些取得的數據，如果再加上數據的後端處理過程，所需的記憶體就更驚人了。

每一塊DAQ卡在規格上都會說明他所具備的數據採集速度，並不一定較高的速度就是最好的，這還得將眾多的因素一同考慮。例如，需要開發的系統所需的測量通道是8個，而每一個通道被測量的最高頻寬是10kHz。以一般的DAQ卡來說，我們除了必須選擇通道數大於8之外，還要選擇其取樣速度最少為每秒80kb。

取樣頻率的分析

在器件特性一定下，取樣變換過程的頻頻寬度取決於取樣脈衝的形狀和寬度。當輸入信號幅度變化範圍非常小時，可將取樣電路看作是具有變參量的線性系統，其等效電路如圖9.39所示。圖中u_i(t)為已折算到輸入端的信號電壓。△(t)為已折算到輸入端的取樣脈衝電壓，g(u)為取樣器件的導電函式，C為積分電容。這裡討論幾種典型的取樣脈衝：矩形、三角形、餘弦形和餘弦平方形脈衝，用T₁表示脈衝的底寬，τ為截取的取樣脈衝有效底寬，k=τ/T₁為脈衝寬度利用係數，t₁為某一特定的取樣脈衝的時刻。

9-29

若取樣器件具有線性特性取樣即器件的特性曲線具有折線形狀，則無論取樣脈衝為何種形狀，其導電函式可以用寬為下的矩形函式表達，經推導可得頻寬因子D(ωτ)=sin(ωτ)，若取D(ωτ)=0.707，可求得取樣電路的頻寬B=0.442/τ，即頻寬與取樣脈衝形狀無關而與寬度有關。

取樣頻率的相關套用

在對音頻信號進行數位化時，取樣頻率的選擇比較簡單，而在對視頻信號進行數位化時，既要考慮亮度信號，又要考慮色差信號，而且還要受其他因素的限制。

1.亮度信號的取樣頻率

亮度信號取樣頻率的選擇必須滿足以下幾個條件：

(1)取樣頻率的選擇必須滿足尼奎斯特取樣定理，即對一個模擬信號進行取樣時，要求取樣頻率至少是該模擬信號上限頻率的2倍，以避免重疊效應。

(2)為了獲得正交型取樣結構，取樣頻率又必須是行頻的整數倍，以利於行間、場間和幀間的信號處理。

(3)為了實現625/50和525/60兩種掃描制式的兼容，應採用同一種取樣頻率，625行制的行頻為15625Hz，525行制的行頻為15734Hz，二者的最低公倍數為2.25MHz。

綜合以上三個條件，取樣頻率應大於2×6MHz，故將亮度信號的取樣頻率定為2.25MHzX6，為13.5MHz。

圖2-7

2.色差信號的取樣頻率

主觀測試表明，為了獲得滿意的彩色圖像，色差信號的頻寬應有2.3MHz以上，色差信號的取樣頻率也應該滿足上面的三個條件。因此，色差信號的取樣頻率定為6.75MHz，正好是亮度信號取樣頻率的一半，這樣形成的取樣結構如圖2-7所示。圓圈為亮度信號取樣點，方框為色差信號取樣點。可見，色差信號的取樣點只有亮度信號取樣點的一半，並與亮度信號的奇數點相重合。