音频信号的数字化

1、第二章是音频信号数字化，2.1音频信号数字化的优势。音频信号数字化后，可以避免模拟信号容易受到噪声和干扰的影响，可以扩大音频的动态范围。计算机可用于数据处理，节省存储空间和成本，使加密处理变得容易。无失真远程传输可以与图像、视频等其他媒体信息复用，实现多媒体和网络化。本节学习目标：熟悉音频信号数字化的过程。掌握统一量化的原则。理解“量化”是数字音频信号失真的主要来源。掌握量化信噪比和量化位数之间的关系。熟悉常见音频信号的采样频率和量化精度。音频信号数字化：将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号(脉码调制，PCM)；取样；定期采样一个样本；量化；用有限数量近似模拟编码；将量化的数字变成二进制数

2、字比特；用高低电平表示脉冲序列中的基本单位字节；一个字节等于8位二进制；2.2音频信号的数字化、模数转换器(Adc)模数转换变化、用一系列数字代码替换连续变化的声音、音频信号的数字化和采样、采样定理混叠失真和带限滤波采样脉冲宽度和采样保持电路的孔径效应采样频率，1。采样定理，采样，也称为采样或采样，指的是定期提取信号的瞬时幅度值。这样，将无限样本在时间上连续地变成离散的有限样本的过程。脉冲序列的采样频率fs(采样率)是每秒采样的次数。在采样时间采样后获得的一系列离散采样值称为采样序列。如果采样频率大于或等于采样信号最高频率的两倍，则可以恢复原始模拟信号而不会失真。fs 2fm .否则，采样信号

3、的频谱将会混叠。混叠后，信号的高频成分将上升，导致频率失真。2.混叠失真和带限滤波不符合采样定理的条件，采样信号会出现频谱混叠现象，导致频谱混叠失真。为了防止混叠失真，当确定采样频率时，必须限制原始模拟信号的上限频率。因此，低通滤波器通常在采样前设置，以滤除高于fs/2的频率。这种低通滤波器也称为抗混叠滤波器。因此，应该在数模转换器之后设置插值低通滤波器(反像滤波器)，以滤除冗余的高频分量，并且仅取出原始信号。理想滤波器通带平坦，滤波特性陡峭，阻带衰减无限，而实际滤波器通带并不完全平坦，过渡带衰减平缓，因此采样频率应略高于最高信号频率FS (2.1-2.5) FM。3.采样保持电路，完成采样保

4、持功能。保持功能是在采样点量化期间保持采样值不变。采样阶段：当开关闭合时，输入电压对电容充电，同时它直接用作输出电压的保持阶段：开关断开后，输出电压保持开关断开前的电压，电荷充入电容。采样保持电路的主要参数偏移误差主要出现在从输入/输出缓冲放大器发出采样命令到获得采样值的时间间隔内，并且由于电容电荷的泄漏，保持的采样值下降，这需要小电容和大电容。经常使用由聚丙烯和聚四氟乙烯制成的高质量电容器(反应速度快，充电时间长)。4.采样脉冲宽度和孔径效应。由于采样信号不是一个理想的冲击序列，而是一个具有一定宽度的脉冲信号，它会使恢复的模拟信号的高频特性失真，这就是所谓的孔径效应。当采样脉冲宽度为采样周期

5、的1/4时，孔径效应可以忽略。采样频率，常用的音频采样频率有48千赫、44.1千赫、32千赫、96千赫和192千赫。音频信号的采样频率选择原则是最高频率。抗混叠低通滤波器截止特性。当视频记录器用作记录设备时，便于形成伪视频信号。量化：振幅连续变化的样本值被离散化并转换成有限数量的样本值。量化分辨率，量化级数m量化位数(位数)n量化步长量化级数越大，量化位数越多，量化步长越小。量化误差(量化噪声)，即采样值和量化值之间的差值。任何时候的量化误差都可以从输入信号中计算出来。量化误差类似于信号中的噪声，具有很宽的频谱，因此也称为量化噪声。量化位数越多，量化误差(失真)越小。均匀量化中量化误差的最大绝

6、对值是/2量化比特与最大量化信噪比的关系：信噪比=6.021.76分贝，信噪比增加6分贝。编码，量化值由二进制代码表示。这个过程叫做编码。最简单的编码方法是二进制编码，它使用N位二进制码来表示量化的样本值，每个二进制数对应一个量化级别。调制信号的幅度由脉冲“1”和“0”表示，PCM过程完成。总结PCM的三个步骤，1。抽样：时间离散化，2。量化：振幅离散化，3。编码：数字二值化，2.3模数转换器。对于数字音频，模数转换器的性能对声音质量有决定性的影响。数字音频系统中常用的模数转换器包括逐次比较级联积分过采样、逐次比较模数转换器和逐次比较模数转换器级联积分模数转换器、级联积分模数转换器、模数转换器

7、的主要技术指标转换时间：模数转换器完成一次模数转换所需的时间。在数字音频系统中，转换时间必须小于采样周期。转换率是单位时间内的变化次数。分辨率：满量程电压与2n的比值，其中n是位数。积分线性误差：输出数字量和模拟输入转换电压之间存在一定的非线性。在整个转换范围内，实际输入输出特性偏离理想直线的最大误差。模数转换器的主要技术指标在微分线性误差的均匀量化模式下，实际模数转换器的每个量化步长都是不同的。有时，少于一个输入模拟电压将改变1LSB的输出，有时必须多于一个输入模拟电压才能改变1LSB的输出。差分线性误差是指模数转换器在整个转换范围内的实际量化步长和理想量化步长之间的最大差值。通常，模数转换

8、器的实际转换电压和理想转换电压之间的差以LSB单位表示(1LSB对应于1)。实际模数转换器的零点会随着温度的变化而漂移，这将给绝对误差带来不确定性。模数转换器失调误差的主要技术指标是由放大器或比较器的输入失调电压或电流引起的。单极性失调误差是实际转换电压和理想转换电压之间的差值。双极性模数转换器的失调误差是负满量程电压的1/2LSB时实际转换电压与理想转换电压之差。通常，可以在模数转换器外部增加一个电位计，将失调误差调整到最小。增益误差，也称为满量程误差，是指对应于满量程输出数据码的实际输入转换电压与理想转换电压之间的差值。增益误差可以通过外部电位计进行调整，通常是在失调误差调整之后。2.4数

9、模转换器，数模转换器的作用是将输入的数字量转换成模拟输出。权阻型数模转换器，权阻解码网络根据不同的“权”值产生模拟量(当输入数为1时，晶体管导通产生电流)，运算放大器将每个数字产生的电流相加，然后转换成输出电压。R-2R梯形网络数模转换器只使用两个电阻，即R和2R，利用网络的等效电阻实现2的倍数加权。级联积分数模转换器，数模转换器的主要技术指标是最小输出电压与最大输出电压的分辨率。分辨率越高，对应于最小数字输入的模拟输出信号值越小，越灵敏。线性非线性误差是理想输入输出特性曲线与实际转换曲线之间的偏差，通常用偏差的最大值来表示。转换精度转换精度以最大静态转换误差的形式给出。转换误差应包括非线性误

10、差、比例因子误差和漂移误差。转换精度和分辨率不同。精度是指实际值转换为理想值后的近似程度。分辨率是指可能影响转换结果的最小输入。数模转换器设置时间的主要技术指标当数模转换器的输入码有满量程值变化时，输出模拟信号电压达到满量程值1/2LSB精度所需的时间。在温度系数满量程输出的情况下，当温度上升一度时，输出的百分比发生变化。电源抑制比满量程电压的百分比变化与电源电压的百分比变化之比。2.5过采样调制模数和数模转换器。量化噪声是模数转换中的一个重要指标。量化位数越多，量化步长越多，相应的量化步长越小，量化误差的绝对值越小。问：我们可以通过增加量化位数和减少量化步长来进一步提高模数转换器的精度吗？减

11、少量化步长带来的性能改进将受到其他因素的限制。随着量化位数的增加，模数转换器的实现变得更加困难，并且数字信号的数字速率的增加不利于存储和传输。数字速率，模拟信号的采样频率为48千赫，量化位为16位。找到它的数据速率？结论：数据速率取决于采样频率和量化位数。数字速率采样频率量化位(bps)通道数=768kbit/s，2.5过采样-调制模数、数模，过采样使用远高于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。如果采样频率增加到Rfs/R，则称之为过采样率，R1在该采样数字信号中，因为量化位数不变，所以总量化噪声功率不变，但这是因为量化噪声的频谱分布发生了变化，也就是说，原来均匀分布在0-fs/2频段的噪声现在分散到0-Rfs/2频段。过采样，如果过采样频率加