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数字音响

数字音响的原理

模拟信号变换成离散的数字信号, 虽有多种方法, 但为了将连续的在数字音响中普遍采用的是脉冲编码调制方式, 即所谓PCM(Pulse Code Modulation)。 PCM方式是法国人 A. H. 里福斯于1937 年发明的, 早已广泛应用于通信之中。随着半导体技术的进步, 特别是发展到超大规模集成电路阶段后, PCM方式应用于音响领域, 并进入家庭成为现实。

数字音响设备的基本组成

PCM方式是由取样, 量化和编码三个基本环节完成的。

数字音响设备的工作原理

(1) 取样

对振幅随时间连续变化的信号波形按一定的时间间隔取出样值, 形成在时间上不连续的脉冲序列, 称之为取样。这个时间间隔称为取样周期, 记为Ts, 相应的取样频率f_s=1/T_s。

(2) 量化

将模拟信号的幅度动态范围划分为相等间隔的若干层次, 把取样输出的信号电平按照四舍五入的原则归入最靠近的量值, 称之为量化。

(3) 编码

把取样, 量化所得的量值变换为二进制数码的过程称为编码。在数字音响中, 通常采用16位(bit)数码表示一个量值, 即量化位数n=16。

（4）纠错编码

由于激光唱片和盒式磁带在制作和使用过程中会发生超过容许范围的损伤, 使所读出的数字信号与原来所记录的信号有所差别, 因此, 必须采取纠正错码的措施。

(5) 调制

模拟音频信号经取样, 量化, 编码和CIRC纠错编码后形成的数字信号, 还不宜直接记录在唱片或磁带上。因为在数据流中可能会出现 16 位全部为 0 或 1 的情况, 从唱片或磁带上读取时会使信号极不稳定, 也会造成伺服系统的不稳定。

(6) 帧结构

数字信号是以字符为单位的, 若偏移 1 位, 就会使该字符代表的信号电平发生变化。为此, 必须把记录信号分割成很小的字组, 并设法判断出各字组之间的分界线, 这样的字组称为帧。

数字音响的主要性能

数字音响设备的主要性能指标包括有效频率范围, 动态范围, 信噪比, 失真度, 声道分离度, 传码率等, 其中有些指标可从取样频率和量化位数等参数值分析得到。

1. 有效频率范围的上限频率f_m

因为CD唱片的取样频率f_s=44.1 kHz, 所以允许音频信号上限频率f_m≤f_s/2=22.05 kHz, 这就是有效频率范围的极限上限频率。

2. 信噪比(S/N)和动态范围

理论分析表明, 由量化噪声决定的信噪比可用下式计算:

(S/N)=6n+1.75≈6n (dB) 式中n为量化位数, 在CD唱片中, n=16, 所以(S/N)≈96(dB)。在线性量化情况下, 上式也就是数字音响设备的动态范围。

3. 传码率R

数字音响系统每秒钟所传送的码数称为传码率, 可用下式计算:

R=m·n·f_s(位/s)式中m为声道数, 对于双声道立体声系统, m=2, 因为CD唱片的n=16, f_s=44.1 kHz,故 R＝1.411 2 兆位/s。 CD唱片还要经过EFM调制, 其实际传码率为4.321 8 兆位/s。

数字音响的主要特点

1. 信噪比高

数字音响记录形式是二进制码, 重放时只需判断“0”或“1”。因此, 记录媒介的噪声对重放信号的信噪比几乎没有影响。而模拟音响记录形式是连续的声音信号, 在录放过程中会受到诸如磁带噪声的影响, 要叠加在声音信号上而使音质变差。尽管在模拟音响中采取了降噪措施, 但无法从根本上加以消除。

2. 失真度低

在模拟音响录放过程中, 磁头的非线性会引入失真, 为此须采取交流偏磁录音等措施, 但失真仍然存在。而在数字音响中, 磁头只工作在磁饱和及无磁两种状态, 表示 1 和 0, 对磁头没有线性要求。

3. 重复性好

数字音响设备经多次复印和重放, 声音质量不会劣化。传统的模拟盒式磁带录音, 每复录一次, 磁带所录的噪声都要增加, 致使每次复录要降低信噪比约 3 dB, 子带不如母带, 孙带不如子带, 音质逐次劣化。

4. 抖晃率小

数字音响重放系统由于时基校正电路作用, 旋转系统, 驱动系统的不稳不会引起抖晃,因而不必要求像模拟记录中那样的精密机械系统。

5. 适应性强

数字音响所记录的是二进制码, 各种处理都可作为数值运算来进行, 并可不改变硬件, 仅用软件操作, 便于微机控制, 故适应性强。

6. 便于集成

由于数字化, 因而便于采用超大规模集成电路, 并使整机调试方便, 性能稳定, 可靠性高, 便于大批量生产, 可以降低成本。