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(kuò)大音頻的動態(tài)范圍可以利用計算機(jī)進(jìn)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(yuǎn)距離傳輸可以與圖像、視頻等其他媒體信息進(jìn)行多路復(fù)用，以實現(xiàn)多媒體化和網(wǎng)絡(luò)化本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：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(chǎn)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(guān)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(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號（脈沖編碼調(diào)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(jìn)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(jìn)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（SAMPLINGSAMPLING）采樣定理混疊失真與限帶濾波采樣保持電路采樣脈沖寬度與孔徑效應(yīng)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。這樣就把時間上連續(xù)變化的無限個樣值變

3、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(fù)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(dǎo)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(chǎn)生頻譜混疊失真。為了防止產(chǎn)生混疊失真,當(dāng)采樣頻率確定后,必須限制原模擬信

4、號的上限頻率。因此，一般在采樣之前設(shè)置一個低通濾波器，濾除高于fs/2fs/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(yīng)的，在D/A轉(zhuǎn)換器之后要設(shè)置內(nèi)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。 理想的濾波器平坦的通帶陡直的濾波特性無窮大的阻帶衰減實際的濾波器通帶不是完全平坦有比較溫和的過渡帶下降所以采樣頻率應(yīng)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(diǎn)量化的這段時間內(nèi)將采樣值保持不變。采樣階段：采樣階段：開關(guān)閉合時，輸入電壓對電容充電，同時直

5、接作為輸出電壓保持階段保持階段：開關(guān)斷開后，用電容器上所充的電荷使輸出電壓保持開關(guān)斷開前的電壓。采樣保持電路的主要參數(shù)失調(diào)誤差 主要發(fā)生在輸入/輸出緩沖放大器處捕捉時間 取樣命令發(fā)出時刻到得到樣值的時刻的時間間隔平頂降落 由于電容電荷的泄露，使得保持的樣值產(chǎn)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(zhì)電容（反應(yīng)速度快，電荷持久）4.采樣脈沖寬度與孔徑效應(yīng)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(fù)的模擬信號的高頻特性產(chǎn)生失真，這種效應(yīng)稱為孔徑效應(yīng)孔徑效應(yīng)。當(dāng)采樣脈沖寬度為采樣周期的1/4時，孔徑效應(yīng)就可以忽略了。5.采樣頻率目前常用的音頻采樣頻率有4

6、8kHz，44.1kHz，32kHz，96kHz，192kHz音頻信號的采樣頻率選取原則音頻信號的最高頻率防混疊低通濾波器的截止特性1.以錄像機(jī)作為記錄設(shè)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 . 11 . 12 . 13 . 14 . 15 . 1 Vtf1

7、 . 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(guān)系： S/N=6.02N+1.76 dBS/N=6.02N+1.76 dB 每增加一個量化比特，信噪比提高6dB.編碼將

8、量化后的數(shù)值用二進(jìn)制碼表示，這一過程稱為編碼。將量化后的數(shù)值用二進(jìn)制碼表示，這一過程稱為編碼。最簡單的編碼方式是二進(jìn)制編碼，用n比特二進(jìn)制碼來表示已經(jīng)量化了的樣本值，每個二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)一個量化電平。量化級數(shù)量化級數(shù)二進(jìn)制等效數(shù)字二進(jìn)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(diào)制信號的大小，表現(xiàn)調(diào)制信號的大小，完成完成PCMPCM的過程。的過程?？偨Y(jié)PCM的三個步驟1. 采樣：時間離

9、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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器對數(shù)字音頻來說，A/D轉(zhuǎn)換器的性能對音質(zhì)具有決定性的影響數(shù)字音頻系統(tǒng)中常用的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器級聯(lián)積分式A/D轉(zhuǎn)換器級聯(lián)積分式A/D轉(zhuǎn)換器級聯(lián)積分式A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時間： A/D轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間。 在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換時間必須小于采樣周期。 轉(zhuǎn)換速率是單位時間內(nèi)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)。積分線性誤差： 輸出數(shù)字量與模擬輸入轉(zhuǎn)換電壓之間存在一定的非線性。在

10、整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，實際的輸入輸出特性偏離理想直線的最大誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)差分線性誤差 均勻量化方式下，實際的A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)生1LSB的變化，有時則必須大于一個才會使輸出產(chǎn)生1LSB變化。 差分線性誤差是指：在整個變換范圍內(nèi)，A/D轉(zhuǎn)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(yīng)1）絕對精度誤差 A/D轉(zhuǎn)換器的實際轉(zhuǎn)換電壓和理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差值。 實際A/D轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)可能會隨著溫度的變化而漂移，這樣就會給絕對誤差帶來不確定性因素A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)偏移誤差 由放大器或

11、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(zhuǎn)換電壓與理想的轉(zhuǎn)換電壓的差值 雙極性A/D轉(zhuǎn)換器的偏移誤差是實際的轉(zhuǎn)換電壓與負(fù)的滿量程電壓以1/2LSB處的理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差值。 一般可在A/D轉(zhuǎn)換器外部加一個電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，將偏移誤差調(diào)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(yīng)的實際輸入轉(zhuǎn)換電壓與理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差值。 可通過外部電位器調(diào)節(jié)增益誤差，通常在偏移誤差調(diào)整后進(jìn)行。2.4 D/A2.4 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的作用是把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。權(quán)電阻式D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)按不同的“權(quán)”值產(chǎn)生模擬量（當(dāng)輸入的數(shù)碼為1時，晶體管

12、導(dǎo)通，產(chǎn)生電流），運(yùn)算放大器將各位數(shù)碼產(chǎn)生的電流相加，然后變換成輸出電壓。R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)式D/A轉(zhuǎn)換器 只用到R、2R這樣兩個阻值用網(wǎng)絡(luò)的等效阻值來實現(xiàn)2的倍數(shù)的加權(quán)級聯(lián)積分式D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)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(yīng)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(zhuǎn)換曲線的偏差，一般取偏差的最大值來表示。轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)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(zhuǎn)換精度與分辨率是不同的。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實際值對于理想值的逼近程度。分

13、辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量。D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)建立時間 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入代碼有滿度值的變化時，輸出模擬信號電壓達(dá)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?jǐn)?shù)。電源抑制比 滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比。2.5 2.5 過采樣過采樣-調(diào)制調(diào)制A/DA/D、D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器量化噪聲是A/D轉(zhuǎn)化中的一個重要指標(biāo)。量化比特數(shù)越多，量化級數(shù)就越多，相應(yīng)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)，減少量化臺階的方法來進(jìn)一步提高A/D轉(zhuǎn)換器的精度呢?減少量化臺階帶

14、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(zhuǎn)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(jié)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(diào)制調(diào)制A/DA/D、D/AD/A過采樣 使用遠(yuǎn)大于奈奎斯特采樣頻率的頻率對輸入信號進(jìn)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(nèi)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(dāng)于量化的比特數(shù)增