[科普中国]-取样频率

取样频率就是把声音这种模拟讯号转成计算机可以辨识的数字讯号，在转换过程中将声波的波形以微分方式切开成许多单位，再把每个切开的声波以一个数值来代表该单位的一个量，以此方式完成取样的工作，而在单位时间内切开的数量便是所谓的取样频率。

简介在单位时间内取样的数量越多就会越接近原始的模拟讯号，在将数字讯号还原成模拟讯号时也就越能接近真实的原始声音；相对越高的取样率，资料的大小就越大，反之则越小，当然也就越不真实了。数字资料量的大小与声道数、取样率、音质分辨率有着密不可分的关。

在一般的声卡上，取样频率至少要能提供22.05KHz、32KHz、44.1 KHz以及48KHz，如果能够提供更多的选择会更好，不过当前的一般声卡最高的取样率都是在48 KHz，若需要更高的取样率的话，就必须选择较为专业的录音卡了。

取样频率的一般方法将模拟信号取样后，就可以使用几个位表示一个外在的物理量。但由于模拟信号是连续且不中断的，如果一定要完全地将模拟信号一五一十地重现，理论上应该使用非常高的取样频率将模拟信号输入计算机中。不过，DAQ卡也有其限制，不太可能使用过高的取样频率作取样的操作，因此当我们针对系统作初步分析时也要一并考虑DAQ卡所能提供的最高速度。

一般的数据采集卡使用每秒钟取样的数据点作为该DAQ卡所拥有的取样速度。例如某DAQ卡上标明100 kS/s，即表示该DAQ卡每秒钟可以取样100K(10万)个取样点。通常这个速度表示该DAQ卡在单一通道下的最高数据采集速度，由于DAQ卡所拥有的采集通道通常是8个或是16个以上，因此将采集频率平均分散到各个通道，每个通道可以分配到的采集速度自然就下降了。

DAQ卡的取样速度较高时，此DAQ卡的价格通常也比较高，此DAQ卡在同一个时间内可以取得的数据量当然也就比较高。从信号的频域角度来看，较高的取样速度也可以取得较高频率的信号。取得较高的数据量除了可以察看的信号频宽较大之外，还得考虑在编写程序的过程中所隐含的内存需求量的问题。因为较大的数据量势必需要较大的内存空间来存储这些取得的数据，如果再加上数据的后端处理过程，所需的内存就更惊人了。

每一块DAQ卡在规格上都会说明他所具备的数据采集速度，并不一定较高的速度就是最好的，这还得将众多的因素一同考虑。例如，需要开发的系统所需的测量通道是8个，而每一个通道被测量的最高频宽是10kHz。以一般的DAQ卡来说，我们除了必须选择通道数大于8之外，还要选择其取样速度最少为每秒80kb。1

取样频率的分析在器件特性一定下，取样变换过程的频带宽度取决于取样脉冲的形状和宽度。当输入信号幅度变化范围非常小时，可将取样电路看作是具有变参量的线性系统，其等效电路如图9.39所示。图中ui(t)为已折算到输入端的信号电压。△(t)为已折算到输入端的取样脉冲电压，g(u)为取样器件的导电函数，C为积分电容。这里讨论几种典型的取样脉冲：矩形、三角形、余弦形和余弦平方形脉冲，用T1表示脉冲的底宽，τ为截取的取样脉冲有效底宽，k=τ/T1为脉冲宽度利用系数，t1为某一特定的取样脉冲的时刻。

若取样器件具有线性特性取样即器件的特性曲线具有折线形状，则无论取样脉冲为何种形状，其导电函数可以用宽为下的矩形函数表达，经推导可得频宽因子D(ωτ)=sin(ωτ)，若取D(ωτ)=0.707，可求得取样电路的频宽B=0.442/τ，即频宽与取样脉冲形状无关而与宽度有关。2

取样频率的相关应用在对音频信号进行数字化时，取样频率的选择比较简单，而在对视频信号进行数字化时，既要考虑亮度信号，又要考虑色差信号，而且还要受其他因素的限制。

1.亮度信号的取样频率

亮度信号取样频率的选择必须满足以下几个条件：

(1)取样频率的选择必须满足尼奎斯特取样定理，即对一个模拟信号进行取样时，要求取样频率至少是该模拟信号上限频率的2倍，以避免重叠效应。

(2)为了获得正交型取样结构，取样频率又必须是行频的整数倍，以利于行间、场间和帧间的信号处理。

(3)为了实现625/50和525/60两种扫描制式的兼容，应采用同一种取样频率，625行制的行频为15625Hz，525行制的行频为15734Hz，二者的最小公倍数为2.25MHz。

综合以上三个条件，取样频率应大于2×6MHz，故将亮度信号的取样频率定为2.25MHzX6，为13.5MHz。

2.色差信号的取样频率

主观测试表明，为了获得满意的彩色图像，色差信号的带宽应有2.3MHz以上，色差信号的取样频率也应该满足上面的三个条件。因此，色差信号的取样频率定为6.75MHz，正好是亮度信号取样频率的一半，这样形成的取样结构如图2-7所示。圆圈为亮度信号取样点，方框为色差信号取样点。可见，色差信号的取样点只有亮度信号取样点的一半，并与亮度信号的奇数点相重合。3

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学