第一章音頻信號(hào)數(shù)字化-zhbj

1、 1.1 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)1 模擬信號(hào) : 從時(shí)間上以及幅值上都連續(xù)(不間斷變化的信號(hào)稱為模擬信號(hào) (a (b圖 1-1模擬與數(shù)字信號(hào)注 : 模擬信號(hào)強(qiáng)調(diào)在時(shí)間上的連續(xù)性。 模擬信號(hào)強(qiáng)調(diào)在幅值上的連續(xù)性。 計(jì)量和描述方式,一般采用十進(jìn)制數(shù)2數(shù)字信號(hào):在時(shí)間上和幅值上都是離散(不連續(xù)的信號(hào)稱為數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)不同,它是那些像電報(bào)中用的莫爾斯碼那樣的 長(zhǎng)短不同 的碼信號(hào),或者像計(jì)算機(jī)中的 脈沖信號(hào) 以及 電源通 /斷 的兩個(gè)狀態(tài) 都屬于數(shù)字信號(hào)。它在時(shí)間上和幅值上都是離散(不連續(xù)的,100208202120211010101001232=+=+=B注 : 數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn): 在時(shí)間上和幅值上都不連

2、續(xù)。 數(shù)字信號(hào)的描述方式:由于它只有兩個(gè)狀態(tài),所以可以用二值函數(shù)來表示, 一般采用二進(jìn)制數(shù)量來表示 二進(jìn)制數(shù)與數(shù)字信號(hào)是兩個(gè)概念:前者只是對(duì)后者的一種描述, 在數(shù)字信號(hào)中強(qiáng)調(diào)的是狀態(tài) 正邏輯表示:用“ 1”表示有脈沖或電源接通,而用“ 0”表示無脈沖或電源斷開。 二進(jìn)制的運(yùn)算法則:逢二進(jìn)一。 二進(jìn)制與十進(jìn)制的關(guān)系: 上式中 n 為二進(jìn)制數(shù)的 bit 數(shù) , 左邊為十進(jìn) 制數(shù) D , 而右邊是其所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)的 各位與各自權(quán)重之積的和。如: 列出四位(bit 二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的關(guān)系表。 1.2 為什么要數(shù)字化動(dòng)態(tài)范圍大:若采用 16bit 量化方法,音頻信號(hào)的幅度可分為 65536個(gè)量化級(jí),

3、動(dòng)態(tài)范圍達(dá) 96dB 。 信息易處理:可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)音、視頻信號(hào)進(jìn)行各種特技及非線性編輯。 媒體易保存:使用時(shí)間長(zhǎng),采用數(shù)字化的光盤,重放時(shí)不存在機(jī)械磨損,使用壽命長(zhǎng)。成本低:數(shù)字化信息便于大規(guī)模集成電路的存儲(chǔ)和處理,可降低成本。 抗干擾能力強(qiáng):數(shù)字信號(hào)只要求脈沖的有無,而不依賴i n i i b D 210-=信號(hào)的幅值大小,對(duì)硬件一致性和穩(wěn)定性要求下降了許多,從而提高了可靠性。1.3 數(shù)字化方法 ( 三步曲 1 模擬信號(hào)的數(shù)字化 :將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)的處理過程稱為模擬信號(hào)的數(shù)字 2模擬信號(hào)的數(shù)字化方法:采樣:以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔觀測(cè)模擬信號(hào)波形幅值的過程叫采樣。量化:將采樣時(shí)刻的信號(hào)幅

4、值歸整(四舍五入到與其最接近的整數(shù)標(biāo)度叫做量化。編碼:將量化后的整數(shù) , 用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼序列來表示叫做編碼。圖 1-2 采樣、量化、編碼的示意圖1.4 采樣定理及音頻采樣頻率標(biāo)準(zhǔn)1 采樣周期 :兩次采樣的時(shí)間間隔大小叫做采樣周期 ,用 T s 表示2 采樣頻率 :單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù) . 用 fs 表示 .并有 : ss T f 13 采樣頻率的選擇 :與采樣精度和采樣后的數(shù)據(jù)量大小有關(guān)。在單位時(shí)間內(nèi)采樣的次數(shù)越多 , 則對(duì)信號(hào)的描述越細(xì)膩 , 越接近真實(shí)信號(hào) . 即采樣頻率 f s 應(yīng)盡量高。但是,一味地提高采樣頻率,勢(shì)必增大數(shù)據(jù)量,給數(shù)據(jù)處理帶來了麻煩,增加了技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的困難。與被測(cè)信號(hào)

5、的變化速度有關(guān)。在過短的時(shí)間里反復(fù)測(cè)量體溫或是河流水位的變化 是完全沒有必要的。這就是說,采樣頻率的選擇必須考慮被采樣信號(hào)變化的快慢程度 ,fs 是一個(gè)相對(duì)值。4采樣定理:采樣頻率 f s 必須高于被采樣信號(hào)所含最高頻率的 2倍。(又稱為亨利.奈奎斯特(H arry Nyquist采樣定理該定理指出:當(dāng)對(duì)連續(xù)變化的信號(hào)波形進(jìn)行采樣時(shí),若采樣頻率 f s 高于該信號(hào)所含最高頻率的 2倍,那么可以由采樣值通過插補(bǔ) 技術(shù)正確地恢復(fù)原信號(hào)的波形,否則將會(huì)引起頻譜混疊(Aliasing 產(chǎn)生混疊噪聲(Aliasing Noise , 而重疊的部分是不能恢復(fù)。這一定理不僅適用于模擬音頻信號(hào),也同樣適用于模

6、擬視頻信號(hào)的采樣。5被采樣后的信號(hào)可恢復(fù)的原因:設(shè)有一音頻信號(hào) f (t 圖 (a 是對(duì)其在 時(shí)域 與 頻域 中 的描述(可以給出點(diǎn)一頻率信號(hào)的頻譜分布, 不同頻率的正弦波可以合成為一個(gè)非正弦波, 反之一個(gè)非正弦波也可以分解為許多單一頻率的正弦波。 這就是傅利葉變換的基本內(nèi)容。=a 0+A1sin (t+1+A2sin (2t+2 +。 。 。 。 。 。 。其中 a 0為直流分量, A1為基波幅值, =2fs 為基波角頻率, 1為 設(shè)有一采樣信號(hào) 如圖 (b 其 =+=10sin ( (k k K t k A a t f 頻譜為一個(gè)頻率為 nfs 的波列采樣后的波形與頻譜 ,見圖(c 信號(hào)可

7、恢復(fù)的原因 :原信號(hào)的頻譜完好保留,可以通過插補(bǔ)技 術(shù)將原信號(hào)恢復(fù)。如 fs 低于信號(hào)中最高頻率的兩倍 , 將出現(xiàn)頻譜混疊 ,原信號(hào)的 頻譜與下邊帶無法分開,破壞了原信號(hào)的頻譜,原信號(hào)將無法 恢復(fù)。6音頻信號(hào)的采樣頻率標(biāo)準(zhǔn):音頻信號(hào)頻率上限為 20KHz ,故采樣信號(hào)頻率 fs應(yīng)大于 40KHz 以上, 考慮到 LPF 在 20KHz 處大約衰減 10%, 為全頻帶高質(zhì)量的還 原,可以用 22KHz 的 2倍頻率作為音頻信號(hào)的采樣頻率,但又為 了能與電視信號(hào)同步, PAL 制場(chǎng)頻為 50Hz , NTSC 制場(chǎng)頻為 60Hz , 所以取二者的整倍數(shù), 則選用了 44.1KHz 作為 CD 聲音

8、的采樣標(biāo)準(zhǔn)。 標(biāo)準(zhǔn):選用了 44.1KHz 作為 CD 聲音的采樣標(biāo)準(zhǔn) 1.5 量 化1量化過程:對(duì)非整數(shù)的采樣值整數(shù)化(四舍五入 , 即采用四舍五入的方法將樣值歸到某一最接近的 整數(shù),這一過程被稱為量化2量化級(jí):對(duì)滿幅度信號(hào)所取的量化份數(shù)為量化級(jí)。 份數(shù)越多對(duì)信號(hào)描述的就越細(xì),然而表示信號(hào)的 bit 數(shù)也就越多。3量化級(jí)差 :量化分度的最小單位稱為量化級(jí)差,用表示, 它是二進(jìn)制最低有效位 LSB 所代表的物理量,圖 1-5示出了用 3bit 即 8級(jí)量化前后的輸入和輸出信號(hào)波形。完成量化過程的電路被稱為量化器(Quantizer 。圖 1-54量化誤差(量化噪聲 :由四舍五入所引起的輸入信

9、號(hào)樣值與量化后輸出值的差,叫做量化誤差,也稱為 量化噪聲 (N。由于量化值是在對(duì)應(yīng)量化級(jí)內(nèi)四舍五入得到的, 所以量化誤差應(yīng)不大于 N /2 由于量化噪聲是 隨樣值的不同而變化 的,所以可設(shè) - /2 N /2,取其 方均值 為:1231122232222N N N=-dn其 平均值 (方均根值為:12N =-這就是說:量化噪聲 總是 量化級(jí)差的 1/ 12 ,這個(gè)重要結(jié)論 是由 W 、 R 、貝內(nèi)特給出的。5信噪比:信號(hào)與噪聲的量值比 S / N (對(duì)數(shù)形式 ,是一個(gè)衡量系統(tǒng)性能的物理量 音頻信號(hào)的信噪比:因?yàn)橐纛l信號(hào)總是 雙極性 的,所以 峰值電壓 V p =2n-1, 式中 n 為量化級(jí)數(shù)

10、的 bit 數(shù),因此 音頻信號(hào)的信噪比為 :式中 m 為由信號(hào)統(tǒng)計(jì)性質(zhì)決定的常數(shù)。 如果用 16bit 量化 且信號(hào) 為正弦波時(shí)(m=3.01則有(dB NS09. 9877. 11602. 6=+= 視頻信號(hào)的信噪比:由于視頻信號(hào)是單極性的,所以 V p =2n ,則視頻信號(hào)的信噪比為若取 8bit 量化,則 S / N=58(dB 6音頻信號(hào)的量化位數(shù):我們可以通過提高量化級(jí)數(shù)即增加 bit 數(shù)來減小量化級(jí)差, 從而降低 量化噪聲, 以減少信號(hào)的損失。 但是 bit 數(shù)過多, 將會(huì)使數(shù)字化后的數(shù)據(jù)過 大, 這將會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的困難, 考慮到技術(shù)的復(fù)雜性和商品成本等多方面原因, CD 和

11、VCD 中的音頻采用 16 bit量化器,即為 216=65536級(jí) ,理論 上的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 96dB ,而信噪比約 90dB 。因此音頻信號(hào)的量化位數(shù)為 :CD 和 VCD 中的音頻采用 16 bit量化器(dB m n m N S n -+=-=-78. 402. 62lg 201音(dB n N S n 79. 1002. 62lg 20+=視7音頻碼率碼率 :為單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù) bit 數(shù)當(dāng)采樣頻率為 44.1KHz 時(shí), 16 bit量化對(duì)立體聲音響信號(hào)(雙聲道 進(jìn)行數(shù)字化處理,每秒鐘要傳送的碼率達(dá) :R=44.1×103×16×2=1.41 Mb

12、it/s 8均勻量化:無論信號(hào)大小,都采用同樣的量化級(jí)差 的 方法。9非均勻量化:對(duì)微小信號(hào)采用細(xì)量化(小 ,對(duì) 大幅度信號(hào),采用粗量化(大 的方法1.6 編碼:編碼就是把已經(jīng)量化后的采樣值用二進(jìn)制數(shù) 碼表示出來1.7 A/D轉(zhuǎn)換器1 模擬信號(hào)數(shù)字化的具體實(shí)現(xiàn) :由采樣保持電路與模擬 /數(shù)字(A/D轉(zhuǎn)換器來 完成 。在實(shí)際應(yīng)用中“三部曲”是由采樣 保 持 電 路 和 A/D轉(zhuǎn)換 器實(shí)現(xiàn)的。2采樣保持電路構(gòu)成 :由輸入緩沖放大器、模擬開關(guān)構(gòu)成及保持電 容構(gòu)成。作用 :對(duì)輸入的模擬信號(hào)采集樣本值各部分的作用:輸入緩沖放大器起阻抗匹配及驅(qū)動(dòng)作用模擬開關(guān)是個(gè)采樣開關(guān),接通時(shí)送出輸入信號(hào)在接通時(shí)刻的 電

13、平值,保持電容用以保持采樣電平值輸出緩沖放大器負(fù)責(zé)信號(hào)輸出。采樣保持過程模擬開關(guān)在采樣脈沖的作用下對(duì)輸入信號(hào)采樣, t1t3為采樣時(shí)間(S 一般不宜過長(zhǎng),模擬開關(guān) 斷開時(shí)刻 開始為保持一直到下一次接通為止(H 采樣保持后的波形:階梯信號(hào)。而不是脈沖信號(hào)3 A/D轉(zhuǎn)換器:量化、編碼電路又稱為 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D種類 :并聯(lián)比較型、 反饋比較型、 逐次漸近型 (前三種為直接變換 、 V-T 變換型、 V-F 變換型 。并聯(lián)比較型 A/D轉(zhuǎn)換器以 3bit 并聯(lián)比較型 A/D轉(zhuǎn)換器為例說明其電路結(jié)構(gòu)和 工作原理。a 電路結(jié)構(gòu)組成 :它由 電壓比較器 、 寄存器 和 代碼轉(zhuǎn)換器 (也 稱為譯碼器三部

14、分電路組成。 輸入信號(hào)的參考電壓:VREF應(yīng)大于、等于輸入模擬信號(hào) Vi 的最大值, 輸出 :為三位二進(jìn)制數(shù)碼 d 2 、 d 1、 d 0b 工作原理: C 1C 7為 電壓比較器 , 量化電平的劃分 : 輸入信號(hào)的電壓比較 : 當(dāng) Vi <1/2時(shí),所有比較器的輸出全為低電平。 時(shí)鐘 CP 脈沖到來后, 寄存器中所有的觸發(fā)器都被置“ 0” 狀態(tài) 。 當(dāng) 1/2 Vi <3/2時(shí),則只有 C1輸出為高電平, CP 上升沿到來后 FF1被置“ 1” , 其余觸發(fā)器被置“ 0” 。 依此類推,使可列出 Vi 為不同電壓時(shí)寄存器的狀態(tài),如 表 1-3所示(Q1Q7部分。編碼c 電路特點(diǎn)

15、: 轉(zhuǎn)換速度快 , 目前, 輸出為 8位的并聯(lián)比較型 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到 50ns 以下這是其它類 型 A/D轉(zhuǎn)換器都無法做到的。 可不加取樣保持電路 , 因?yàn)楸容^器和寄存器也兼 有取樣 -保持功能d 電路缺點(diǎn):比特?cái)?shù)越多電路越復(fù)雜 1.8 D/A 轉(zhuǎn)換： 將數(shù)字信息模擬化的過程稱為數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。 在多媒體應(yīng)用中音頻信號(hào)的數(shù)字化是為了高質(zhì)量的存貯與處理信 息，然而，最終的目的還是為了高保真的還原與重放。如果用數(shù)字化后的 數(shù)字脈沖去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，將沒有人會(huì)聽得懂。所以在重放之前，還需將數(shù) 字信息模擬化，而這一過程又稱為數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。 1） D/A 轉(zhuǎn)換器的種類： 權(quán)電阻網(wǎng)

16、絡(luò)型 D/A 轉(zhuǎn)換器、 倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)型 D/A 轉(zhuǎn)換器、 權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器、 開關(guān)樹型 D/A 轉(zhuǎn)換器及 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型 D/A 轉(zhuǎn)換器。 2） D/A 轉(zhuǎn)換的位數(shù)的選擇： A/D 轉(zhuǎn)換的量化級(jí)數(shù)是可以選擇的， 在多媒體音頻中 CD 級(jí)的 量化級(jí)數(shù)為 16bit，而 D/A 轉(zhuǎn)換的比特?cái)?shù)應(yīng)必須與 A/D 一致，才 能保證正確重放。 3） D/A 轉(zhuǎn)換的時(shí)間要求: 當(dāng)采樣頻率一定時(shí)，A/D 和 D/A 的轉(zhuǎn)換時(shí)間必須要小于采樣 周期 T，對(duì)音頻信號(hào)的采樣頻率為 44.1KHz (Ts =23 S時(shí)，一 般要求 D/A 轉(zhuǎn)換的變換時(shí)間不大于 10 S 4） 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型 D/A 轉(zhuǎn)換器：

17、下圖是最簡(jiǎn)單的 4bit 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器， 電路組成： 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) 4 個(gè)模擬開關(guān) 一個(gè)反相求和放 大器 工作原理： S3,S2,S1,S0 4 個(gè)電子 開關(guān)， 它們分別受 輸入代碼 d3、d2、d1、 d0 的控制， di=1 時(shí)，開關(guān)接到參考電壓 VREF 上，即: 11 Ui= VREF REF 等于輸出模擬信號(hào)的最大值） （V ， di=0 時(shí)，開關(guān)接地，即 Ui=0 因此可表示為: Ui= VREF×di 理想的求和運(yùn)算放大器的輸出電壓公式為： uo = -( RF R0 u0 + RF R1 u1 + RF R2 u2 + RF R3 u3 在此電路中,由于

18、di 的取值決定了 ui 的存在,所以上 式可改為: uo = -( = - RF 2 R 3 3 V REF d 0 + 0 RF 2 R 1 2 V REF d 1 + 2 RF 2 R 3 1 V REF d 2 + RF 2 R 0 V REF d 3 R F V REF 2 R (2 d 0 + 2 d1 + 2 d 2 + 2 d 3 設(shè) RF=R/2 且取 VREF 為負(fù)值,則有: R - R F V REF 2 R 3 = 2 V REF 3 = V REF 2 4 = D 2 R 所以上式為: uo = D (2 d 3 + 2 d 2 + 2 d1 + 2 d 0 3 2 1 0 由上式可以看出： D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 u