1、第二章是音頻信號(hào)數(shù)字化，2.1音頻信號(hào)數(shù)字化的優(yōu)勢(shì)。音頻信號(hào)數(shù)字化后，可以避免模擬信號(hào)容易受到噪聲和干擾的影響，可以擴(kuò)大音頻的動(dòng)態(tài)范圍。計(jì)算機(jī)可用于數(shù)據(jù)處理，節(jié)省存儲(chǔ)空間和成本，使加密處理變得容易。無失真遠(yuǎn)程傳輸可以與圖像、視頻等其他媒體信息復(fù)用，實(shí)現(xiàn)多媒體和網(wǎng)絡(luò)化。本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟悉音頻信號(hào)數(shù)字化的過程。掌握統(tǒng)一量化的原則。理解“量化”是數(shù)字音頻信號(hào)失真的主要來源。掌握量化信噪比和量化位數(shù)之間的關(guān)系。熟悉常見音頻信號(hào)的采樣頻率和量化精度。音頻信號(hào)數(shù)字化：將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)(脈碼調(diào)制，PCM)；取樣；定期采樣一個(gè)樣本；量化；用有限數(shù)量近似模擬編碼；將量化的數(shù)字變成二進(jìn)制數(shù)

2、字比特；用高低電平表示脈沖序列中的基本單位字節(jié)；一個(gè)字節(jié)等于8位二進(jìn)制；2.2音頻信號(hào)的數(shù)字化、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Adc)模數(shù)轉(zhuǎn)換變化、用一系列數(shù)字代碼替換連續(xù)變化的聲音、音頻信號(hào)的數(shù)字化和采樣、采樣定理混疊失真和帶限濾波采樣脈沖寬度和采樣保持電路的孔徑效應(yīng)采樣頻率，1。采樣定理，采樣，也稱為采樣或采樣，指的是定期提取信號(hào)的瞬時(shí)幅度值。這樣，將無限樣本在時(shí)間上連續(xù)地變成離散的有限樣本的過程。脈沖序列的采樣頻率fs(采樣率)是每秒采樣的次數(shù)。在采樣時(shí)間采樣后獲得的一系列離散采樣值稱為采樣序列。如果采樣頻率大于或等于采樣信號(hào)最高頻率的兩倍，則可以恢復(fù)原始模擬信號(hào)而不會(huì)失真。fs 2fm .否則，采樣信號(hào)

3、的頻譜將會(huì)混疊?；殳B后，信號(hào)的高頻成分將上升，導(dǎo)致頻率失真。2.混疊失真和帶限濾波不符合采樣定理的條件，采樣信號(hào)會(huì)出現(xiàn)頻譜混疊現(xiàn)象，導(dǎo)致頻譜混疊失真。為了防止混疊失真，當(dāng)確定采樣頻率時(shí)，必須限制原始模擬信號(hào)的上限頻率。因此，低通濾波器通常在采樣前設(shè)置，以濾除高于fs/2的頻率。這種低通濾波器也稱為抗混疊濾波器。因此，應(yīng)該在數(shù)模轉(zhuǎn)換器之后設(shè)置插值低通濾波器(反像濾波器)，以濾除冗余的高頻分量，并且僅取出原始信號(hào)。理想濾波器通帶平坦，濾波特性陡峭，阻帶衰減無限，而實(shí)際濾波器通帶并不完全平坦，過渡帶衰減平緩，因此采樣頻率應(yīng)略高于最高信號(hào)頻率FS (2.1-2.5) FM。3.采樣保持電路，完成采樣保

4、持功能。保持功能是在采樣點(diǎn)量化期間保持采樣值不變。采樣階段：當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，輸入電壓對(duì)電容充電，同時(shí)它直接用作輸出電壓的保持階段：開關(guān)斷開后，輸出電壓保持開關(guān)斷開前的電壓，電荷充入電容。采樣保持電路的主要參數(shù)偏移誤差主要出現(xiàn)在從輸入/輸出緩沖放大器發(fā)出采樣命令到獲得采樣值的時(shí)間間隔內(nèi)，并且由于電容電荷的泄漏，保持的采樣值下降，這需要小電容和大電容。經(jīng)常使用由聚丙烯和聚四氟乙烯制成的高質(zhì)量電容器(反應(yīng)速度快，充電時(shí)間長)。4.采樣脈沖寬度和孔徑效應(yīng)。由于采樣信號(hào)不是一個(gè)理想的沖擊序列，而是一個(gè)具有一定寬度的脈沖信號(hào)，它會(huì)使恢復(fù)的模擬信號(hào)的高頻特性失真，這就是所謂的孔徑效應(yīng)。當(dāng)采樣脈沖寬度為采樣周期

5、的1/4時(shí)，孔徑效應(yīng)可以忽略。采樣頻率，常用的音頻采樣頻率有48千赫、44.1千赫、32千赫、96千赫和192千赫。音頻信號(hào)的采樣頻率選擇原則是最高頻率?？够殳B低通濾波器截止特性。當(dāng)視頻記錄器用作記錄設(shè)備時(shí)，便于形成偽視頻信號(hào)。量化：振幅連續(xù)變化的樣本值被離散化并轉(zhuǎn)換成有限數(shù)量的樣本值。量化分辨率，量化級(jí)數(shù)m量化位數(shù)(位數(shù))n量化步長量化級(jí)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)，即采樣值和量化值之間的差值。任何時(shí)候的量化誤差都可以從輸入信號(hào)中計(jì)算出來。量化誤差類似于信號(hào)中的噪聲，具有很寬的頻譜，因此也稱為量化噪聲。量化位數(shù)越多，量化誤差(失真)越小。均勻量化中量化誤差的最大絕

6、對(duì)值是/2量化比特與最大量化信噪比的關(guān)系：信噪比=6.021.76分貝，信噪比增加6分貝。編碼，量化值由二進(jìn)制代碼表示。這個(gè)過程叫做編碼。最簡(jiǎn)單的編碼方法是二進(jìn)制編碼，它使用N位二進(jìn)制碼來表示量化的樣本值，每個(gè)二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)量化級(jí)別。調(diào)制信號(hào)的幅度由脈沖“1”和“0”表示，PCM過程完成。總結(jié)PCM的三個(gè)步驟，1。抽樣：時(shí)間離散化，2。量化：振幅離散化，3。編碼：數(shù)字二值化，2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器。對(duì)于數(shù)字音頻，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能對(duì)聲音質(zhì)量有決定性的影響。數(shù)字音頻系統(tǒng)中常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括逐次比較級(jí)聯(lián)積分過采樣、逐次比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器和逐次比較模數(shù)轉(zhuǎn)換器級(jí)聯(lián)積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器、級(jí)聯(lián)積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器

7、的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)間：模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。在數(shù)字音頻系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換時(shí)間必須小于采樣周期。轉(zhuǎn)換率是單位時(shí)間內(nèi)的變化次數(shù)。分辨率：滿量程電壓與2n的比值，其中n是位數(shù)。積分線性誤差：輸出數(shù)字量和模擬輸入轉(zhuǎn)換電壓之間存在一定的非線性。在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，實(shí)際輸入輸出特性偏離理想直線的最大誤差。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)在微分線性誤差的均勻量化模式下，實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)量化步長都是不同的。有時(shí)，少于一個(gè)輸入模擬電壓將改變1LSB的輸出，有時(shí)必須多于一個(gè)輸入模擬電壓才能改變1LSB的輸出。差分線性誤差是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的實(shí)際量化步長和理想量化步長之間的最大差值。通常，模數(shù)轉(zhuǎn)換

8、器的實(shí)際轉(zhuǎn)換電壓和理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差以LSB單位表示(1LSB對(duì)應(yīng)于1)。實(shí)際模數(shù)轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)會(huì)隨著溫度的變化而漂移，這將給絕對(duì)誤差帶來不確定性。模數(shù)轉(zhuǎn)換器失調(diào)誤差的主要技術(shù)指標(biāo)是由放大器或比較器的輸入失調(diào)電壓或電流引起的。單極性失調(diào)誤差是實(shí)際轉(zhuǎn)換電壓和理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差值。雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差是負(fù)滿量程電壓的1/2LSB時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)換電壓與理想轉(zhuǎn)換電壓之差。通常，可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器外部增加一個(gè)電位計(jì)，將失調(diào)誤差調(diào)整到最小。增益誤差，也稱為滿量程誤差，是指對(duì)應(yīng)于滿量程輸出數(shù)據(jù)碼的實(shí)際輸入轉(zhuǎn)換電壓與理想轉(zhuǎn)換電壓之間的差值。增益誤差可以通過外部電位計(jì)進(jìn)行調(diào)整，通常是在失調(diào)誤差調(diào)整之后。2.4數(shù)

9、模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬輸出。權(quán)阻型數(shù)模轉(zhuǎn)換器，權(quán)阻解碼網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的“權(quán)”值產(chǎn)生模擬量(當(dāng)輸入數(shù)為1時(shí)，晶體管導(dǎo)通產(chǎn)生電流)，運(yùn)算放大器將每個(gè)數(shù)字產(chǎn)生的電流相加，然后轉(zhuǎn)換成輸出電壓。R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器只使用兩個(gè)電阻，即R和2R，利用網(wǎng)絡(luò)的等效電阻實(shí)現(xiàn)2的倍數(shù)加權(quán)。級(jí)聯(lián)積分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)是最小輸出電壓與最大輸出電壓的分辨率。分辨率越高，對(duì)應(yīng)于最小數(shù)字輸入的模擬輸出信號(hào)值越小，越靈敏。線性非線性誤差是理想輸入輸出特性曲線與實(shí)際轉(zhuǎn)換曲線之間的偏差，通常用偏差的最大值來表示。轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度以最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差的形式給出。轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)包括非線性誤

10、差、比例因子誤差和漂移誤差。轉(zhuǎn)換精度和分辨率不同。精度是指實(shí)際值轉(zhuǎn)換為理想值后的近似程度。分辨率是指可能影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的最小輸入。數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)置時(shí)間的主要技術(shù)指標(biāo)當(dāng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入碼有滿量程值變化時(shí)，輸出模擬信號(hào)電壓達(dá)到滿量程值1/2LSB精度所需的時(shí)間。在溫度系數(shù)滿量程輸出的情況下，當(dāng)溫度上升一度時(shí)，輸出的百分比發(fā)生變化。電源抑制比滿量程電壓的百分比變化與電源電壓的百分比變化之比。2.5過采樣調(diào)制模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。量化噪聲是模數(shù)轉(zhuǎn)換中的一個(gè)重要指標(biāo)。量化位數(shù)越多，量化步長越多，相應(yīng)的量化步長越小，量化誤差的絕對(duì)值越小。問：我們可以通過增加量化位數(shù)和減少量化步長來進(jìn)一步提高模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度嗎？減

11、少量化步長帶來的性能改進(jìn)將受到其他因素的限制。隨著量化位數(shù)的增加，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)變得更加困難，并且數(shù)字信號(hào)的數(shù)字速率的增加不利于存儲(chǔ)和傳輸。數(shù)字速率，模擬信號(hào)的采樣頻率為48千赫，量化位為16位。找到它的數(shù)據(jù)速率？結(jié)論：數(shù)據(jù)速率取決于采樣頻率和量化位數(shù)。數(shù)字速率采樣頻率量化位(bps)通道數(shù)=768kbit/s，2.5過采樣-調(diào)制模數(shù)、數(shù)模，過采樣使用遠(yuǎn)高于奈奎斯特采樣頻率的頻率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。如果采樣頻率增加到Rfs/R，則稱之為過采樣率，R1在該采樣數(shù)字信號(hào)中，因?yàn)榱炕粩?shù)不變，所以總量化噪聲功率不變，但這是因?yàn)榱炕肼暤念l譜分布發(fā)生了變化，也就是說，原來均勻分布在0-fs/2頻段的噪聲現(xiàn)在分散到0-Rfs/2頻段。過采樣，如果過采樣頻率加