音频信号的数字化

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为了防止产生混叠失真,当采样频率确定后,必须限制原模 拟信号的上限频率。因此，一般在采样之前设置一个低 通滤波器，滤除高于fs/2的频率，这一低通滤波器也叫防 混叠滤波器。
相应的，在D/A转换器之后要设置内插低通滤波器（防 镜像滤波器），以滤除多余的高频分量，只把原信号取 出来。
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采样阶段：开关闭合时，输入电压对 电容充电，同时直接作为输出电压 保持阶段：开关断开后，用电容器上 所充的电荷使输出电压保持开关断开 前的电压。
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采样保持电路的主要参数 1. 失调误差
主要发生在输入/输出缓冲放大器处 2. 捕捉时间
需要小电容
取样命令发出时刻到得到样值的时刻的时间间隔 3. 平顶降落
第二章 音频信号的数字化
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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噪声和干 扰的影响
可以扩大音频的动态范围 可以利用计算机进行数据处理 节省存储空间和成本 易于加密处理 可以不失真的远距离传输 可以与图像、视频等其他媒体信息进行多路复用，以
实现多媒体化和网络化
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5.采样频率
目前常用的音频采样频率有48kHz，44.1kHz，32kHz， 96kHz，192kHz……
音频信号的采样频率选取原则 1. 音频信号的最高频率 2. 防混叠低通滤波器的截止特性 3. 以录像机作为记录设备时，便于形成伪视频信号。
量化
量化：把幅度上连续变化的样本值离散化，变换为有限 个样本值。
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1.采样定理
采样又称取样或抽样，是指每隔一定的时间间隔，抽取信号 的一个瞬时幅度值。这样就把时间上连续变化的无限个样值 变成离散的有限个样值的过程。
vI(t)
vI’ (t)
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0
t
0
t
vS
0
t
TS
脉冲序列的采样频率fs (sampling rate) ，即每秒钟采样的次数。 采样时间 采样后得出的一系列在时间上离散的样本值称为样值序列。
均匀量化的量化误差的最大绝对值为△/2
量化位数与最大量化信噪比之间的关系：
S/N=6.02N+1.76 dB
每增加一个量化比特，信噪比提高6dB.
编码
将量化后的数值用二进制码表示，这一过程称为编码。
最简单的编码方式是二进制编码，用n比特二进制码 来表示已经量化了的样本值，每个二进制数对应一个 量化电平。
量化精度（RESOLUTION）
f t V 1.461.5 1.521.5
1 .5
1 .4
量化级数 M
1 .3
1.221.2
量化位数（比特数）n
1 .2 1 .1
1 .0
0.870.9
0.890.9
M2n
0 .9 0 .8
0 .7
0.460.5
0 .6 0 .5
0.340.3
0 .4
0.220.2
理想的滤波器 a) 平坦的通带 b) 陡直的滤波特性 c) 无穷大的阻带衰减
实际的滤波器 a) 通带不是完全平坦 b) 有比较温和的过渡带下降
所以采样频率应稍大于信号最高频率 fs ＝ (2.1-2.5)fm
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3.采样保持电路（S/H）
完成采样和保持功能的电路。
保持功能是为了在对采样点量化 的这段时间内将采样值保持不变。
采样频率要大于或等于被采样信号最高频率的2倍， 就可以无失真地恢复出原始的模拟信号。
fs ≥ 2fm。
否则，采样后的信号频谱会发生混叠现象。
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2.混叠失真与限带滤波
不满足采样定理的条件，采样后的信号就会发生频谱 混叠现象，从而产生频谱混叠失真。
混叠后，信号的高频成分会抬升，导致频率失真
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级联积分式A/D转换器
需要大电容
由于电容电荷的泄露，使得保持的样值产生下降
常使用聚丙烯和聚四氟乙烯制作的高品质电容（反应速度快，电荷持久）
4.采样脉冲宽度与孔径效应
由于采样信号并非理想的冲击序列，而是有一定宽度 的脉冲信号，所以会使恢复的模拟信号的高频特性产 生失真，这种效应称为孔径效应。
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当采样脉冲宽度为采样周期的1/4时，孔径效应就可以忽 略了。
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本节学习目标： 熟悉音频信号数字化的过程。 掌握均匀量化的原理。 理解“量化”是数字音频信号产生失真的主要根源。 掌握量化信噪比与量化比特数之间的关系。 熟悉常见的音频信号采样频率及量化精度。
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音频信号的数字化
数字化： 将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号（脉冲 编码调制，PCM） 采样：每隔一定时间抽取一个样本 量化：用有限长数字量逼近模拟量 编码：量化的数字变成二进制数码
量化步长
0 .3
0 .2 0 .1
0.060.1
ba
TS
M
量化级数越大，量化位数越多， 量化步长越小。
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量化误差（量化噪声）
量化误差即为采样值与量化值之间的差值。
任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出的。 量化误差在信号中表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所
以也被称为量化噪声。
量化位数越多，量化误差（失真）越小。
比特： 用高、低两种电平表示脉冲序列中的基本单元
字节： 一个字节等于8位二进制
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2.2音频信号的数字化
ADC（A/D） Analogue Digital Conversion模数变化，用一系 列数码来代替连续变化的声音
音频信号的数字化
wk.baidu.com样（SAMPLING）
1. 采样定理 2. 混叠失真与限带滤波 3. 采样保持电路 4. 采样脉冲宽度与孔径效应 5. 采样频率
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通过脉冲的 “1”和“0”表现调制信号的大小， 完成PCM的过程。
量化级数
二进制等效数字
脉冲编码波形
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0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110
15
1111
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总结PCM的三个步骤
1. 采样：时间离散化 2. 量化：幅值离散化 3. 编码：数值二值化
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2.3 A/D转换器
对数字音频来说，A/D转换器的性能对音质具有决定 性的影响
数字音频系统中常用的A/D转换器有 逐次比较式 级联积分式 过采样式
逐次比较式A/D转换器
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逐次比较式A/D转换器