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◆图片4-1模拟音频信号处理流程
模拟(Analogue)本意为“模仿”、“比拟”、“相似”、“类比”之意,模拟信号指的是在时间或幅度上连续变化的信号,把声音信号在模拟状态下存储、加工、传递、重放的技术称为模拟音频技术或者模拟音响技术,相应的设备称为模拟音频设备或者模拟音响设备,由模拟音频设备构成的系统叫做模拟音频系统或者模拟音频系统。
模拟音频信号传输时要注意电平匹配、阻抗匹配、以及连接方式的一致性(指平横传输和不平衡传输),即使产生一些偏差也不会造成很大的失真或者没声。
模拟音频的存储办法为直接模拟记录,比如将声音信号直接用磁场强弱模拟出来记录到磁带上。
即将时间轴上连续的声音变化用空间轴上磁带上连续的磁场强弱变化来模拟。
模拟音频的处理也是对模拟信号的直接处理。
模拟音频设备的设计和制造思路:
采用电子元器件构成特定功能的模块式电路,对音频电信号进行直接处理。
模拟音频有如下特点:
①、音频指标不高,比如动态范围低,信噪比不高,失真度较大。
②、主观听感较好,但随机读取能力差,一般只能顺序读取。
③、声音的加工处理设备昂贵,处理难度较大,且伴随处理指标下降。
④、记录存储难度大,成本高,且效率低
⑤、检索、传输、利用不够方便快捷,共享性也比较差。
1877年爱迪生发明留声机,1898年丹麦科学家波尔森(ValdemarPoulsen)发明世界上最早的模拟磁性录音机。
人类能听到的历史已经100多年了。
数字音频基础:
###1、讨论QQ网络音频聊天时声音信号的转换传输过程
2、讨论计算机声卡(显卡)的组成
3、讨论生物医学电信号检测处理
ADC和DAC的应用:
◆图片信号(信息)处理全过程
◆图片4-2数字音频信号处理流程
针对模拟音频的诸多不足,现在的通行办法是采用数字音频技术将模拟音频进行数字化。
但音频信号的数字化包含两方面的内容:
一是通过取样或称采样、量化、编码将模拟信号转换为数字信号,然后再进行记录、加工处理;
二是由于人耳只能听到模拟信号,所以又必须在重放时将数字信号转换为模拟信号,使人耳感知。
数字信号指的是在时间或幅度上离散变化的信号,把声音信号在数字状态下存储、加工、传递、重放的技术称为数字音频技术或者数字音响技术,相应的设备称为数字音频设备或者数字音响设备,由数字音频设备构成的系统叫做数字音响系统或者数字音频系统
数字信号的处理和模拟不同,它是一种间接处理——将处理变成了数学运算,因此可以借助计算机来完成。
一、AD(模数转换):
何谓数字化?
从字面上来说,数字化(Digital)就是以数字来描述事物。
例如用数字纪录一张桌子的长宽高尺寸以及各木料间的角度,这就是一种数字化。
跟数字常常一起被提到的字是模拟(Analog/Analogue)。
模拟的意思是用相似的东西去表达,例如将桌子用传统相机按1:
1将三视图拍下来,就是一种模拟的纪录方式。
为什么要数字化?
数字化的最大好处是方便数据传输与保存,使数据不易失真。
只要纪录数据的数字大小不改变,纪录的数据内容就不会改变。
传统模拟的方式纪录讯号,如使用LP表面的凹凸起伏或是录音带表面的磁场强度来表达振幅大小,在我们复制数据时,无论电路设计多么严谨,总是无法避免噪声的介入。
这些噪声会变成复制后数据的一部份,造成失真,且复制越多次讯噪比(讯号大小与噪声大小的比值)会越来越低,有意义的数据细节也越来越少。
如果读者曾经复制过录音带或是录像带,一定有过发现拷贝版噪声较大的经验。
在数字化的世界里,数字转换为二进制,以电压的高低判读1与0,并可加上各种检查码,使得出错机率大大降低,因此在一般的情况下无论数据复制多少次,都可以达到不失真的目标。
或许读者会问,既然CD是数字化的储存媒体,为什么用刻录机复制的烧片放到CDPlayer中音质往往比原版片来得差呢?
数字化的复制不是不会失真吗?
这个问题我们留到后面再解答。
音乐(声音)如何数字化?
将音乐数字化,首先必须将音讯数字化。
音频数字化的基本思想是将音频信号在时间域和幅度域离散,即有限代替无限!
将音讯数字化的技术有很多,最常见的是使用脉冲幅度编码技术(PCM:
PulseCodeModulation,多比特数码流技术)、脉冲增量总和编码技术(Δ-Σ:
Delta-SigmaModulation,1比特增量求和数码流技术)和直接数码流技术(DSD:
DirectStreamDigital,1比特数码流技术)即脉冲增量技术。
将模拟信号转化成数字信号的设备称为编码器(Analog-to-DigitalConverter即ADC)。
1.PCM技术数字化又称多比特转换:
PCM技术原理是由英国科学家里夫斯(A.H.Reeves)1937年提出来的,PCM技术随着1948年晶体管的发明逐步得到实现。
20世纪70年代末80年代初飞利浦和索尼公司共同推出了记录媒体之一的CD,PCM技术得到推广和普及。
PCM的音频格式后来也被DVD-A所采用,支持立体声和5.1环绕声(1999年由DVD讨论会发布、推出)。
PCM的量化精度从(14bit)16bit、18bit、20bit直到24bit;
采样频率从(44.056kHz)44.1kHz、48kHz、96kHz直到192kHz。
到目前为止PCM这项技术在改善它的本质问题。
其主要原因,一是任何PCM数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器,仅让某一带宽(如20Hz-20kHz的频率通过,高端20kHz是由于CD44.1kHz采样率的一半频率而确定)的频率通过,这是一项非常困难的任务;
二是在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器(减低采样率),在重放时采用多级内插的数字滤波器(提高采样率),为了控制小信号在编码时的失真,两者又都需要加入重复定量噪声,这样就限制了PCM技术在音频还原时的保真度。
PCM技术数字化有三个步骤:
取样、多比特量化、编码
具体过程如下:
◆图片4-3音频数字化之取样
◆图片4-4音频数字化之量化
◆图片4-5音频数字化之编码
取样(sampling)与取样频率、取样噪声:
取样是指对连续的模拟信号进行数字化的过程中,在时间轴方向进行离散化。
就是说,对模拟信号每隔一定的时间间隔进行瞬时取值,用离散点来表示模拟信号的波形。
这些离散点的值称为取样值。
为了能真实地反映原来的模拟信号,取样时间间隔应尽量的小,否则就会漏掉一些信息,重放时就不能反映原来的波形了。
因此,根据著名的1928年提出的奈奎斯特(H.HarryNyquist)定理:
fs>
2fmax
即取样频率(fs)必须大于声音信号最高频率(fmax)的2倍,声音信号的最高频率为20kHz,所以一般采样频率在40kHz以上,CD由于历史原因取44.1kHz。
多比特量化(quantization)与量化精度、量化噪声:
量化是指对取样后的信号再幅度上按分层单位进行四舍五入取整数的过程。
显然量化层次越多,量化误差越小,实际上常称这种量化误差为“量化噪声”。
比如,采用16bit来表示信号电平,共有2的16次方65536个级差,假设最高电平为10V,则所能表示的最低电平为10V/65536=0.1526mV。
数字音频设备的噪声是由量化精度引起的,根据1948年提出的香农(C.E.Shannon)定理,设备信噪比与量化精度关系为:
S/N=6.02N+1.76dB
比如CD量化精度为16bit,则最高S/N=98。
若N=20,则S/N=122。
若N=24,则S/N=146。
编码(coding)与数码传输速率、误码率:
编码就是把每一个量化的值转化为二进制的数表示的过程。
数码传输速率计算公式为:
S=fs*N*M(bit/s)
例如,CD唱片的取样频率为44.1kHz,量化精度16bit,声道数为2,则
SCD=44.1*1000*16*2=1.41Mbit/s
对于直径12cm,存储容量700MB的光盘来说,它的数码传输速率为
700MBx8/(74*60)=1.59Mbit/s(1Byte=8bit)
?
1.41Mbit/s<
1.59Mbit/s
以上是PCM理论上的运作方式,但是实际上我们的电路没有办法纪录瞬间的振幅大小,而是记录取样时距内的振幅最大值,也就是Sample/Hold的运作方式。
这样的运作方式会造成波型的偏移,且很难用事后的运算来补偿,为PCM的一大缺点。
另外,PCM技术提高音质的办法只有一个,提高采样频率和量化精度,但这会造成数据量成倍增大。
采用PCM技术的音频产品有:
CD、HDCD、VCD、DVD、DVD-AUDIO等。
2.脉冲增量总和调制技术(Δ-Σ或者Σ-Δ:
Delta-SigmaModulation)技术又称1bit转换,它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。
◆图片4-5音频数字化之Δ-Σ技术原理
Δ和Σ则分别是差分和求和的含义,该编码原理1946年由法国工程师DeLoraine提出,目的在于简化模拟信号的数字化方法。
主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。
它是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。
增量调制是预测编码中最简单的一种。
它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。
因此量化只限于正和负两个电平,只用一比特传输一个样值。
如果差值是正的,就发“1”码,若差值为负就发“0”码。
因此数码“1”和“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减,不代表信号的绝对值。
同样,在接收端,每收到一个“1”码,译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量阶。
每收到一个“0”码就下降一个量阶。
当收到连“1”码时,表示信号连续增长,当收到连“0”码时,表示信号连续下降。
译码器的输出再经过低通滤波器滤去高频量化噪声,从而恢复原信号,只要抽样频率足够高,量化阶距大小适当,收端恢复的信号与原信号非常接近,量化噪声可以很小。
Δ-Σ调制技术数字化也有三个步骤:
取样、1bit量化、编码。
采用Δ-Σ技术的有索尼公司生产的CD、DAT、DVD等。
另外,PCM和Δ-Σ技术可以互转。
****Δ-Σ技术与PCM技术比较:
●
在比特率较低时,Δ-Σ技术的量化信噪比高于PCM;
Δ-Σ技术抗误码性能好,可用于比特误码率为10-2—10-3的信道,而PCM则要求10-4—10-6;
●Δ-Σ技术通常采用单纯的比较器和积分器作编译码器(预测器),结构比PCM简单。
●Δ-Σ技术数字化音频主观听感声场较好,但PCM技术数字化主观听感动态较好。
在Δ-Σ技术中量化过程中存在斜率过载(量化)失真,主要是因为输入信号的斜率较大,调制器跟踪不上而产生的。
因为在ΔM中每个抽样间隔内只容许有一个量化电平的变化,所以当输入信号的斜率比抽样周期决定的固定斜率大时,量化阶的大小便跟不上输入信号的变化,因而产生斜率过载失真(或称为斜率过载噪声)。
3.DSD技术(DirectStreamDigital
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