音頻信號的數(shù)字化

1、第二章第二章音頻信號的數(shù)字化音頻信號的數(shù)字化2.12.1音頻信號數(shù)字化的優(yōu)勢音頻信號數(shù)字化的優(yōu)勢音頻信號數(shù)字化后可以避免模擬信號容易受噪聲和干擾的影響可以擴大音頻的動態(tài)范圍可以利用計算機進行數(shù)據(jù)處理節(jié)省存儲空間和成本易于加密處理可以不失真的遠距離傳輸可以與圖像、視頻等其他媒體信息進行多路復用，以實現(xiàn)多媒體化和網(wǎng)絡化本節(jié)學習目標：熟悉音頻信號數(shù)字化的過程。掌握均勻量化的原理。理解“量化”是數(shù)字音頻信號產生失真的主要根源。掌握量化信噪比與量化比特數(shù)之間的關系。熟悉常見的音頻信號采樣頻率及量化精度。音頻信號的數(shù)字化音頻信號的數(shù)字化數(shù)字化： 將連續(xù)變化的模擬信號轉換為離散的數(shù)字信號（脈沖編碼調制，PC

2、M） 采樣：每隔一定時間抽取一個樣本 量化：用有限長數(shù)字量逼近模擬量 編碼：量化的數(shù)字變成二進制數(shù)碼 比特： 用高、低兩種電平表示脈沖序列中的基本單元字節(jié)： 一個字節(jié)等于8位二進制2.22.2音頻信號的數(shù)字化音頻信號的數(shù)字化ADC（A/D） Analogue Digital Conversion模數(shù)變化，用一系列數(shù)碼來代替連續(xù)變化的聲音音頻信號的數(shù)字化采樣采樣（S SAMPLINGAMPLING）1.采樣定理2.混疊失真與限帶濾波3.采樣保持電路4.采樣脈沖寬度與孔徑效應5.采樣頻率1.1.采樣定理采樣定理u采樣又稱取樣或抽樣，是指每隔一定的時間間隔，抽取信號的一個瞬時幅度值。這樣就把時間上連

3、續(xù)變化的無限個樣值變成離散的有限個樣值的過程。脈沖序列的采樣頻率脈沖序列的采樣頻率fs (sampling rate) ，即每秒鐘采樣的次數(shù)。采樣時間采樣時間采樣后得出的一系列在時間上離散的樣本值稱為樣值序列樣值序列。t0vSTSt0vI (t)t0vI(t)u采樣頻率要大于或等于被采樣信號最高頻率的2倍，就可以無失真地恢復出原始的模擬信號。 fs 2fm。 否則，采樣后的信號頻譜會發(fā)生混疊現(xiàn)象?；殳B后，信號的高頻成分會抬升，導致頻率失真2.2.混疊失真與限帶濾波混疊失真與限帶濾波不滿足采樣定理的條件，采樣后的信號就會發(fā)生頻譜混疊現(xiàn)象，從而產生頻譜混疊失真。為了防止產生混疊失真,當采樣頻率確定

4、后,必須限制原模擬信號的上限頻率。因此，一般在采樣之前設置一個低通濾波器，濾除高于fs fs/2/2的頻率，這一低通濾波器也叫防防混疊濾波器混疊濾波器。相應的，在D/A轉換器之后要設置內插低通濾波器（防鏡像濾波器），以濾除多余的高頻分量，只把原信號取出來。 理想的濾波器a)平坦的通帶b)陡直的濾波特性c)無窮大的阻帶衰減實際的濾波器a)通帶不是完全平坦b)有比較溫和的過渡帶下降所以采樣頻率應稍大于信號最高頻率 f fs s (2.1-2.5)f(2.1-2.5)fm m3.采樣保持電路（S/H）完成采樣和保持功能的電路。保持功能是為了在對采樣點量化的這段時間內將采樣值保持不變。采樣階段：采樣階

5、段：開關閉合時，輸入電壓對電容充電，同時直接作為輸出電壓保持階段保持階段：開關斷開后，用電容器上所充的電荷使輸出電壓保持開關斷開前的電壓。采樣保持電路的主要參數(shù)1.失調誤差 主要發(fā)生在輸入/輸出緩沖放大器處2.捕捉時間 取樣命令發(fā)出時刻到得到樣值的時刻的時間間隔3.平頂降落 由于電容電荷的泄露，使得保持的樣值產生下降需要小電容需要大電容常使用聚丙烯和聚四氟乙烯制作的高品質電容（反應速度快，電荷持久）4.采樣脈沖寬度與孔徑效應由于采樣信號并非理想的沖擊序列，而是有一定寬度的脈沖信號，所以會使恢復的模擬信號的高頻特性產生失真，這種效應稱為孔徑效應孔徑效應。當采樣脈沖寬度為采樣周期的1/4時，孔徑效

6、應就可以忽略了。5.采樣頻率目前常用的音頻采樣頻率有48kHz，44.1kHz，32kHz，96kHz，192kHz音頻信號的采樣頻率選取原則1.音頻信號的最高頻率2.防混疊低通濾波器的截止特性3.以錄像機作為記錄設備時，便于形成偽視頻信號。量化 量化：把幅度上連續(xù)變化的樣本值離散化，變換為有限量化：把幅度上連續(xù)變化的樣本值離散化，變換為有限個樣本值。個樣本值。量化精度（RESOLUTION）n量化級數(shù) Mn量化位數(shù)（比特數(shù)）n n量化步長 量化級數(shù)越大，量化位數(shù)越多， 量化步長越小。 nM2ST1 . 02 . 03 . 04 . 05 . 06 . 07 . 08 . 09 . 00 .

7、11 . 12 . 13 . 14 . 15 . 1 Vtf1 . 006. 0 3 . 034. 0 9 . 087. 0 5 . 146. 15 . 152. 1 2 . 122. 1 9 . 089. 0 5 . 046. 0 2 . 022. 0 baM 量化誤差（量化噪聲）n量化誤差即為采樣值與量化值之間的差值。 任一時刻的量化誤差是可以從輸入信號求出的。量化誤差在信號中表現(xiàn)類似于噪聲，也有很寬的頻譜，所以也被稱為量化噪聲。量化位數(shù)越多，量化誤差（失真）越小。均勻量化的量化誤差的最大絕對值為/2量化位數(shù)與最大量化信噪比之間的關系： S/N=6.02N+1.76 dBS/N=6.02N

8、+1.76 dB 每增加一個量化比特，信噪比提高6dB.編碼將量化后的數(shù)值用二進制碼表示，這一過程稱為編碼。將量化后的數(shù)值用二進制碼表示，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進制編碼，用n比特二進制碼來表示已經量化了的樣本值，每個二進制數(shù)對應一個量化電平。量化級數(shù)量化級數(shù)二進制等效數(shù)字二進制等效數(shù)字脈沖編碼波形脈沖編碼波形00000100012001030011401005010160110701118100091001101010111011121100131101141110151111通過脈沖的通過脈沖的 “ “1”1”和和“0”0”表現(xiàn)調制信號的大小，表現(xiàn)調制信號的大小，完成完成PC

9、MPCM的過程。的過程。總結PCM的三個步驟1. 采樣：時間離散化 2. 量化：幅值離散化3. 編碼：數(shù)值二值化 2.3 A/D2.3 A/D轉換器轉換器對數(shù)字音頻來說，A/D轉換器的性能對音質具有決定性的影響數(shù)字音頻系統(tǒng)中常用的A/D轉換器有 逐次比較式 級聯(lián)積分式 過采樣式逐次比較式A/D轉換器逐次比較式A/D轉換器級聯(lián)積分式A/D轉換器級聯(lián)積分式A/D轉換器級聯(lián)積分式A/D轉換器A/D轉換器的主要技術指標轉換時間： A/D轉換器完成一次A/D轉換所需的時間。 在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，轉換時間必須小于采樣周期。 轉換速率是單位時間內的變化次數(shù).分辨率： 滿量程電壓與2n之比值，n為比特數(shù)。積分線

10、性誤差： 輸出數(shù)字量與模擬輸入轉換電壓之間存在一定的非線性。在整個轉換范圍內，實際的輸入輸出特性偏離理想直線的最大誤差。A/D轉換器的主要技術指標差分線性誤差 均勻量化方式下，實際的A/D轉換器，每一個量化臺階并不相同，有時輸入模擬電壓量變化不到一個就會使輸出產生1LSB的變化，有時則必須大于一個才會使輸出產生1LSB變化。 差分線性誤差是指：在整個變換范圍內，A/D轉換器實際的量化臺階和理想的量化臺階之間的最大差值。 通常以LSB為單位表示（1LSB對應1）絕對精度誤差 A/D轉換器的實際轉換電壓和理想轉換電壓之間的差值。 實際A/D轉換器的零點可能會隨著溫度的變化而漂移，這樣就會給絕對誤差

11、帶來不確定性因素A/D轉換器的主要技術指標偏移誤差 由放大器或比較器的輸入偏移電壓或電流引起的誤差。 單極性的偏移誤差是實際的轉換電壓與理想的轉換電壓的差值 雙極性A/D轉換器的偏移誤差是實際的轉換電壓與負的滿量程電壓以1/2LSB處的理想轉換電壓之間的差值。 一般可在A/D轉換器外部加一個電位器進行調節(jié)，將偏移誤差調至最小增益誤差 又稱滿量程誤差，是指滿量程輸出數(shù)據(jù)代碼所對應的實際輸入轉換電壓與理想轉換電壓之間的差值。 可通過外部電位器調節(jié)增益誤差，通常在偏移誤差調整后進行。2.4 D/A2.4 D/A轉換器轉換器D/A轉換器的作用是把輸入的數(shù)字量轉換成模擬量輸出。權電阻式D/A轉換器權電阻

12、解碼網(wǎng)絡按不同的“權”值產生模擬量（當輸入的數(shù)碼為1時，晶體管導通，產生電流），運算放大器將各位數(shù)碼產生的電流相加，然后變換成輸出電壓。R-2R梯形網(wǎng)絡式D/A轉換器 只用到R、2R這樣兩個阻值用網(wǎng)絡的等效阻值來實現(xiàn)2的倍數(shù)的加權級聯(lián)積分式D/A轉換器D/A轉換器的主要技術指標分辨率 最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率越高，對應最小數(shù)字輸入的模擬輸出信號值越小，越靈敏。線性度 非線性誤差為理想的輸入-輸出特性曲線與實際轉換曲線的偏差，一般取偏差的最大值來表示。轉換精度 轉換精度以最大的靜態(tài)轉換誤差的形式給出。轉換誤差應該包括非線性誤差、比例系數(shù)誤差、以及漂移誤差等綜合誤差。 轉換精度與分辨

13、率是不同的。精度是指轉換后所得的實際值對于理想值的逼近程度。分辨率是指能夠對轉換結果發(fā)生影響的最小輸入量。D/A轉換器的主要技術指標建立時間 D/A轉換器的輸入代碼有滿度值的變化時，輸出模擬信號電壓達到滿度值1/2LSB精度時所需要得時間。溫度系數(shù) 滿量程輸出的條件下，溫度升高一度，輸出變化的百分數(shù)。電源抑制比 滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比。2.5 2.5 過采樣過采樣-調制調制A/DA/D、D/AD/A轉換器轉換器量化噪聲是A/D轉化中的一個重要指標。量化比特數(shù)越多，量化級數(shù)就越多，相應的量化臺階就越小，則量化誤差的絕對值就越小。問題：是否可以通過不斷提高量化比特數(shù)，減少

14、量化臺階的方法來進一步提高A/D轉換器的精度呢?減少量化臺階帶來的性能提高會受到其他各種因素的制約，且隨著量化比特數(shù)的增加，A/D轉換器的實現(xiàn)難度加大，且數(shù)字信號的數(shù)碼率的提高，不利于存儲和傳輸。數(shù)碼率一個模擬信號的采樣頻率是48KHz，量化比特是16bit，求其數(shù)據(jù)率？結論：數(shù)據(jù)率的大小取決于采樣頻率和量化比特。 數(shù)碼速率采樣頻率量化比特(bps) 聲道數(shù)=768kbit/s2.5 2.5 過采樣過采樣-調制調制A/DA/D、D/AD/A過采樣 使用遠大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對輸入信號進行采樣。 若將采樣頻率提高到 Rfs R稱為過采樣比率，且R1 在這種采樣的數(shù)字信號中，由于量化的比特數(shù)沒有改變，故總得量化噪聲功率不變，但這是量化噪聲的頻譜分布發(fā)生了變化，即原來均勻分布在0-fs/2的頻帶內的噪聲，現(xiàn)在分散到0-Rfs/2的頻帶上。過采樣過采樣的頻率每提高一倍，系統(tǒng)的信噪比過采樣的頻率每提高一倍，系統(tǒng)的信噪比提高提高3dB相當于量化的比特數(shù)