浅析数字音频系统失真

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2、采样量化间隔字长(量化比特数)量化误差DsP处理浮点数高精度整数随着数字化技术的日臻成熟,对数字系统的理论研究也越来越深入,数字音频技术取得了长足的进步,尤其是数字调音台的性能和稳定性有了大幅提升.除了最后级的音箱,音频制作系统已经全面进入数字化阶段.在传统的模拟音频时代,有不少衡量一个系统质量好坏的技术指标,比如信噪比,频响,失真等.这些指标到了全数字时代似乎只能表示数模转换器或模数转换器的性能.数字系统各个部件是否有失真,失真从何而来,对音质的影响有多大,如何评价一个数字音频系统音质的优劣,是摆在业界面前的一个新课题.从数字音频系统的各个部分人手,对数字音频系统的失真作全面分析.1数字音

3、频系统的组成在数字音频领域,使用最多的是线性脉冲编码调制fLPCM)格式的设备,直接简称为PCM编码设备.广播电视领域的专业设备几乎全是这种格式,CD,DAT,数字调音台,数字效果器,绝大多数硬盘录音机和音频工作站,数字录像机和硬盘录像机的声音记录,视频工作站等都是采用这种格式.只有极少数的音频工作站和SACD采用DSD格式.下面就基于PCM格式来进行论述,数字音频系统工作流程,如图1所示.传统的模拟信号进入数字音频系统后首先需要做模拟放大,调整好电平后进入A/D转换器.A/D转换后编码成为数字信号,通过如AES,S/PDIF,TDIF,MADI等各种数字接口和下一级相连.接下来的处理分为三

4、《音响技术》20113图l数字音频系统工作流程图种:线性记录,比如DAT,数字视频录像机等等磁带记录;非线性记录,比如数字音频工作站进行记录和处理;DSP处理,比如数字调音台,数字效果器等.其实线性记录和非线性记录这两个流程中也有可能用到DSP处理,所以在它们之间加了一个双向的箭头.这三个过程处理,记录,重放后重新得到的数字信号,通过数字接口连接到D/A转换,最后还原成处理后的模拟信号.在数字音频系统中所有的设备都工作在同一个采样频率下,受到数字同步系统产生的同步信号锁定.这是一个基本流程,任何一个数字音频系统都会包含一个到多个这样的流程,下面就依据这个基本流程来分析哪些部件会带来失真,影响

5、这些部件失真的因素有些什么.2系统各部件的失真分析2.1A/D转换器,D/A转换器衡量A/D(模/数),D/A(数/模)转换器的失真状况,先要从PCM编码的原理讲起.在PCM过程中,将输入的模拟信号进行采样,;“～;一一一+～～,;..I+,.,～一一;;一一土一嗽●:一_音响技术AVf”1IOlD【I【1基础知识量化和编码,通过脉冲编码来代表采样后模拟信号的幅度,即用二进制数来表示采样后的信号幅度,此过程即模数转换.接收端再将这些编码的二进制数还原为原来的模拟信号,此过程即数模转换.PCM格式只需知道脉冲的有无就可以解读信号,传输质量取决于采样和量化,与传输信道无关,多路PCM可以通过时分

6、复用的方式共享一条传输信道.正是由于PCM格式有这些优势,即使它占用比较大带宽,人们也将它作为数字音频系统的主要格式.A/D转换器包括下面3个过程.1)采样采样过程是将连续时间模拟信号变为离散时间,连续幅度的采样信号.采样的理论依据采样定理:如果一个函数以其最高频率两倍的采样频率进行采样,则采样后的函数中包含原函数的所有信息,并能从采样中重建原函数.从理论上说,采样不是近似,而是完全相同,所以这里不应该有失真.但是实际上,由于无法做到绝对准确,稳定的采样频率,采样频率的偏差会导致最终还原信号的频率偏差.采样频率必须非常稳定,准确,同步系统就是影响采样质量的关键.2)量化量化是将采样得到的瞬时

7、值用一组规定的电平幅度离散,即瞬时采样值用最接近的电平值表示.采样是时间的计量,量化是对样值的计量,就是采样时刻幅度的计量.量化级数决定数字音频系统的幅度分辨率,是衡量数字系统的重要指标.有限的量化级数永远不可能完全表示无限幅度值的模拟信号,量化值是实际值的近似.音频系统使用的是均匀量化,是一个模拟信号映射成一些有相同间隔的量值,这个量值叫量化间隔.字长(又叫量化比特数)决定了有效的量化间隔数.字长每增加一比