毕业设计（论文）-数字化音频领域的未来技术研究.doc

数字化音频领域的未来技术研究郑州大学升达经贸管理学院本科毕业设计题 目 数字化音频领域的未来技术研究学生姓名 专业班级 电信2班 学 号 2009058207 院 系 信息工程系 指导教师（职称）（副教授） 完成时间 2013年4月1日 目 录摘 要.3ABSTRACT.41 绪论.61. 1 音频数字化的概念.61. 2 数字化音频领域的未来.72 数字音频协议与芯片.92.1 TMD数字音频协议.103 多媒体中数字化音频技术的应用 .113.1计算机音乐应用于未来教学. 114 数字化音频的未来-DSP.124.1DSP的优势.124.2DSP技术的发展趋势结束语 .13致谢.19参考文献.20数字化音频领域的未来技术研究 摘 要数字音频技术，就是数字技术在音频领域中的应用,包括拾音、录音、存贮、处理、传送以及重放等许多方面。数字化音频技术使信号的动态范围、信噪比、抖晃、频响特性及瞬态特性等各方面都获得了较大的改善,使用的灵活性、精确性特别是自动编程所提供的变换技术得到了大大提升。随着数字信号处理技术的日益推进，数字化音频技术越来越普遍的应用于视音频领域并大大的推动了视音频科技的进步，传统的模拟视音频产品如今逐渐退出，采用数字化技术及其相应产品已呈不可抵挡的趋势。数字化的视音频产品必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时(real-time)的数位信号处理。市面上的微处理有成百上千种，各有其特色及对应的应用场合，而DSP以其特有的优势更适合于耽此任务。关键词： 数字化音频 未来技术 DSPFuture research in the field of digital audio technology ABSTRACTDigital audio technology is the application of digital technology in the field of audio, including pickup, recording, storage, processing, transfer and playback, and much more. Digital audio technology enables signal dynamic range and signal-to-noise ratio, jitter, frequency response and transient characteristics of the other aspects have been improved significantly, flexibility of use, accuracy and in particular automatic conversion technology provided by the program has been greatly enhanced.Along with the daily advancement of digital signal processing technology, scientific and technological achievements in the field of IT is becoming more and more common used in audio field and greatly push the progress of the audio technology, traditional analog audio products now gradually exit, using digital technology and its corresponding products is a trend which can not resist. Digital audio products will involve the transmission problem of when analogy signal is converted into digital signals. And in this kind of conversion of process needed to do a lot of mathematical operation, so we must choose operation quick microprocessor to complete real-time digital signal processing. And the micro in market has hundreds of kinds, each have its characteristics and corresponding applications, DSP, with its special advantages is becoming more suitable to accomplish these tasks. KEY WORDS digital audio DSP multimedia1 绪论1. 1音频数字化的概念从字面上来说，数字化 (Digital) 就是以数字来表示某种实在的东西，例如用数字去记录一张桌子的长宽尺寸，各木料间的角度，这就是一种数字化。跟数位常常一起被提到的字是模拟 (Analog/Analogue) ，模拟的意思就是用一种相似的东西去表达，例如将桌子用传统相机将三视图拍下来，就是一种模拟的记录方式。 将音频数字化，其实就是将声音数字化。最常见的方式是透过脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation) 。数字化的最大好处是资料传输与保存的不易失真。记录的资料只要数字大小不改变，记录的资料内容就不会改变。如果我们用传统类比的方式记录以上信号，例如使用录音带表面的磁场强度来表达振幅大小，我们在复制资料时，无论电路设计多么严谨，总是无法避免杂讯的介入。这些杂讯会变成复制后资料的一部份，造成失真，且复制越多次信噪比 ( 信号大小与噪音大小的比值 ) 会越来越低，资料的细节也越来越少。如果多次复制过录音带，对以上的经验应该不陌生。在数字化的世界里，这串数字转换为二进制，以电压的高低来判读1与0，还可以加上各种检查码，使得出错机率很低，因此在一般的情况下无论复制多少次，资料的内容都是相同，达到不失真的目的。我们了解到音频数字化就是将模拟的(连续的)声音波形数字化(离散化)，以便利用数字计算机进行处理的过程，主要包参数括采样频率（Sample Rate）和采样数位/采样精度（Quantizing，也称量化级）两个方面，这二者决定了数字化音频的质量。反映音频数字化质量的另一个因素是通道(或声道)个数。记录声音时，如果每次生成一个声波数据，称为单声道；每次生成二个声波数据，称为立体声(双声道)，立体声更能反映人的听觉感受。除了上述因素外，数字化音频的质量还受其它一些因素(如扬声器质量，麦克风优劣，计算机声卡A/D与D/A（模/数、数/模）转换芯片品质，各个设备连接线屏蔽效果好坏等)的影响。综上所述，声音数字化的采样频率和量化级越高，结果越接近原始声音，但记录数字声音所需存储空间也随之增加。因此，才会出现各种音频压缩编/解码技术的出现，例如，MP3，RM，WMA,VQF,ASF等等它们各自有自己的应用领域，并且不断在竞争中求得发展。1. 2数字化音频领域的未来数字化时代对人类的发展产生了巨大的变化，我们亲身经历了数字技术的蓬勃发展，目睹了它以惊人的速度，渗透到社会与生活的方方面面。数字化技术已全面的进入到广播影视领域，正对我们的行业带来实质性的变革。清楚地把握数字音频技术的发展动向，对正确推进广播影视领域的数字化进程将有极其重要的意义。一、 模拟与数字音频技术的关系和互补性 把握数字音频技术发展的方向，我们必须对数字音频与模拟音频技术之间有一个科学的认识，并清楚这样一个概念：数字化是一种手段，但我们始终离不开这个模拟的世界，所以我们要清楚模拟与数字音频技术的优势和弱点。对音频的质量上来说，数字音频通过模数/数模转换后，越接近模拟音质就越好。但是，数字化技术在音频的编辑、合成、效果处理，存储、传输和网络化，以及在价格等方面，有极大的优势。半导体技术高速发展的今天，在专业音频领域，为了得到温暖的模拟音质，仍旧需要采用电子管器件，如电子管话筒、电子管前置放大器和压缩器，以及功率放大器。为了与数字化音频系统配合使用，不少最新的音频专业电子管产品带有了数字接口。所以，数字化时代的音频技术，并不是弃模变数，而是两者有机的结合，取长补短，用数字化技术去追求模拟的音质，用数字化手段来弥补传统音频设备的弱点。目前世界上公认音质最好的调音台，如AMEK 9098和SSL 9000J 系列，就是模拟数控台，即模拟信号流，数字化的控制系统，另外还配置了模数转换接口，这就是模拟音频技术与数字技术结合的实例。电脑技术已将人们带入了一个虚拟世界。音频领域也不例外，音频工作站的发展已越来越成熟，人们已称它为虚拟录音棚。虚拟音频制作系统中，包括了录音机、调音台、周边信号发生器、非线性编辑和数据库等。这种虚拟系统不仅有价格的优势，而且功能齐全，符合数字化，网络化发展的要求，其音频的质量可与一些高级传统音频设备抗衡。它符合数字化、网络化的要求，其价格与传统设备相比，则更有优势。近年来，虚拟音频制作系统对界面的外控操作上，正逐步向传统设备的操作概念发展。还与传统调音台有机结合。可以看到，数字时代音频的发展，从音质上讲，数字与模拟的追求是一致的；从数字技术在音频领域的应用来看，它仍然依托着传统的模拟设备而向前发展。在广播影视领域大规模数字化进程中，我们已感受到音频制作手段的快速更新，工作效率大大提高，但对数字化后的音频质量，还须有更高的追求，高清晰度电视和数字电影更需要有与之相适应的高质量音频。飞利浦和索尼公司计划告别他们的多比特PCM格式，全面推广DSD格式。这不是一个偶然的，它关系到数字化音频发展的趋势，因此在数字化规划中，应当逐步将DSD技术应用于实际，真正走在广播影视数字化进程的前列。2 数字音频协议与芯片滤波/均衡器、压限器等是声频系统中常用的信号处理设备模块，其目的是用以实现对音频信号实现幅度调整、频率均衡、声音效果和动态压缩/限制等处理的功能。 随着数字技术的发展，与模拟音频系统相比，数字音频在处理、传输、储存等各方面都有很强的优越性。 数字音频处理在现代音频处理系统中具有模拟音频处理无法比拟的优势，各种信号处理设备已逐步实现数字化。 目前通用 DSP 在数字音频处理的应用中存在各个模块的算法复杂、代码移植繁琐、开发周期长等不方便的地方。 而目前专用音频 DSP 地出现将使数字音频系统的开发设计工作变得更方便高效。 现在已有单片集成电路上集成了多路音频专用 DSP 和高性能声频数据转换器的解决方案。 以图形化的模块代替复杂的算法和繁琐的代码缩短了开发的时间和精力。 并且为开发人员提供了专业高品质的数字声音处理模块。2.1 TDM 数字音频协议1.TDM 数字音频协议TDM-I2S 是一种在 IIS 协议基础上的时分复用的数字音频协议。TDM-2S 串行数字总线主要由 4 条信号线组成：1）MCLK，系统时钟，其频率一般是采样频率的 256 倍。2）LRCK，帧时钟，每个 LRCK 可以传输 8 路音频信号，LRCK 的频率等于采样频率。3）BCLK，位时钟，即对应数字音频的每一位数据，每一路音频信号对应 32 个 BCLK 时钟。4）SDATA，串行数据，用二进制补码表示的音频数据。2.芯片介绍AD1940/AD1941 是 ADI 公司推出的一款完整的 28 位、单芯片、多通道音频 DSP。 音频的大部分处理均采用完全 56位双精度模式完成，低电平信号性能极佳，并且无极限环或空闲音。压缩器/限幅器采用高端广播压缩器常用的先进多断点算法。 芯片的数字输入和输出端口可以通过多个双通道串行数据流或 TDM 数据流，与 ADC 和 DAC 实现无缝连接。3 多媒体中数字化音频技术的应用人类对自然的征服和对自我的超越是永无止境的 一种不可恩议的工具计算机的到来 使我们的工作和学习处于一个充满幻想和创新的时代。多媒体系统的开发与应用，使计算机的应用天地更为绚丽多彩。 多媒体技术的发展，最早可追溯到1984 年。APPLE公司推出的MAcINT0sH机中， 引入了BITMAP(位映射)的概念，对图形进行处理并使用了窗口和图标作为用户接口。此后，至1987年8月引入了HYPERcARD，使MACINTOSH机成为用户可以方便使用的能处理多种信息媒体的机器。此后，多媒体技术的不断更新发展，制定出一系列的行业标准至 1991年，在美国拉斯维加斯的电脑博览会上多媒体产品的首次推出引起了世界的轰动这对电脑多媒体技术的发展无疑起到了极大的推动作用。正是由于多媒体技术的诞生，使计算机应用于声音以至于音乐领域，有了一个关键性的开端。多媒体技术主要表现于视、听两大领域音频技术作为多媒体技术的重要组成部分，它一方面有广橱的应用领域，一方面又获得了长足的发展。声音包括频率(音高)、幅度(振幅)、 长度(时值)、音色(谐波成分和发声过程)几个要素。音乐就是有规律的一组声音。音乐的基本单位是音符，每个音符的高低和长短由这个声音的频率和时值来决定因此，数字化音频技术可广泛应用于音乐信号的处理。 在国外，应用于音频技术的各种设备(包括MIDI设备、音响设备)正以惊人的速度发展并逐步将这些设备列人到计算机的外设中去，这是由于这些设备都可以与计算机相连。3.1 计算机音乐应用于教学许多的音乐工作者们都用自行设计一些软件(音乐教学软件、打谱软件、简谱绘谱软件、自动配器软件和音色编辑软件等)来辅助工作-这是一片急待我们去开发的领域 我们现在拥有一个巨大的资源数字化音频在录制音乐或创造音乐时将音乐转换成计算机可以识别的数字化数据，在需要听的时候再转换成声音一旦将声音转变为数宇，计算 机便大有用武之地，可以摘取录制品的各个部分并剪切、拷贝、粘贴和删除它们，可以切分核心内容-倒退地播放各个部分，以不同方式结合各个作品以及增加回音和其它效果。在Mac机上装上优质的声卡，计算机就变成强有力的数字化音频录制器。有了数字化音频录制器，就可以此基础上编制各种音频编辑器软件。如Sound Designer、Wave for Windows、Sound Edit 16等都是在此基础上设计的软件。在实际设计音乐软件时，并不是单一使用数字化音频技术虽然数字化音频可以录制需要的任何类型的乐器，可以按许多MIDI不能实现的方式编辑数字化音频声音文件，但是数字化音频不能改变音乐的演奏方式，不能改变作品的速度和节拍，或者修改不合需要的节奏。而MIDI是合成音乐的强有力的工具，它可以使作曲家同时拥有大量随时都可以在软件中演奏的虚拟乐器，也可以利用这些乐器部件中任何东西并且可以在任何时刻编辑它。正因为如此，在编写音乐软件时，总是把MID和数字化音频巧妙地结合起来，刨造出许多美妙的旋律。4 数字化音频的未来-DSP4. 1 DSP的优势DSP以其强大的运算能力及优良的性能价格比已经成为越来越多的数字化视音频设备的核心构件，随着科技的进步，DSP技术的日益完善，相信DSP的未来就是数字化音频领域的未来。 4. 2 DSP技术的发展趋势未来，全球DSP产品将向着高性能、低功耗、将强融合和拓展多种应用的趋势发展，DSP芯片将越来越多地渗透到各种电子产品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心。1) DSP的内核结构将进一步改善。多通道结构和单指令多重数据（SIMD）、特大指令组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，如AD公司的ADSP2116X。2) DSP的并行处理结构。为了提高DSP芯片的运算速度，各DSP厂商纷纷在DSP芯片中引入并行处理机制。这样，可以在同一时刻将不同的DSP与不同的任意存储器连通，大大提高数据传输的速率。3) 功耗越来越低。随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技术的发展，DSP芯片内核的电源电压将会越来越低，TMS320C6200系列产品从TMS320C6201的1.5V电压，下降到TMS320C6400系列的1.1V，甚至更低。除了内核单元外，周边装置、存储器的功耗也在不断地下降。这样，使得整个DSP的功耗随之下降。4) DSP和微处理器的融合。微处理器（MPU）是一种执行智能定向的通用处理器，它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理功能很差。而DSP处理器具有高速的数字信号处理能力。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能。因此，将DSP和微处理器结合起来，可简化设计，加速产品的开发，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。5) DSP和高档CPU的融合。大多数高档CPU，如Pentium和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。6) DSP和SOC的融合。SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP和系统接口软件等。7) DSP和FPGA的融合。FPGA是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高了信号处理速度。实时操作系统（