音頻信號的數(shù)字化

1、第二章音頻信號的數(shù)字化,2.1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(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： 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,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，PCM） 采樣：每隔一定時間抽取一個

2、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,2.2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（Sampling）,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.采樣定理,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成離散的有限個樣值的過程。 脈沖序列的采樣頻率fs (sampli

3、ng rate) ，即每秒鐘采樣的次數(shù)。 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。,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。,混疊后，信號的高頻成分會抬升，導(dǎo)致頻率失真,2.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/2的頻率，這一低通濾波器也叫防混疊濾波器。 相應(yīng)的，在D/A轉(zhuǎn)換器之后要設(shè)置內(nèi)插低

4、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 fs (2.1-2.5)fm,3.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(nèi)將采樣值保持不變。,采樣階段：開關(guān)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：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

5、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)。,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48kHz，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 以錄像機作為記錄設(shè)備時，便于形成偽視頻

6、信號。,量化,量化：把幅度上連續(xù)變化的樣本值離散化，變換為有限個樣本值。,量化精度（Resolution）,量化級數(shù) M 量化位數(shù)（比特數(shù)）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。,量化誤差（量化噪聲）,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 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

7、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(jīng)量化了的樣本值，每個二進制數(shù)對應(yīng)一個量化電平。,通過脈沖的 “1”和“0”表現(xiàn)調(diào)制信號的大小，完成PCM的過程。,總結(jié)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/D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 轉(zhuǎn)換時間： A

8、/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 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

9、。 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 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(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

10、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)整后進行。,2.4 D/A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，晶體管導(dǎo)通，產(chǎn)生電流），運算放大器將各位數(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 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

11、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 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 過采樣-調(diào)制A/D、D/A轉(zhuǎn)

12、換器,量化噪聲是A/D轉(zhuǎn)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(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一步提高A/D轉(zhuǎn)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(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/s,2.5 過采樣-調(diào)制A/D、D/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(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)的信噪比提高3dB 相當(dāng)于量化的比特數(shù)增加0.5bit,噪聲整形 噪聲整形技術(shù)是指對噪聲