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[转帖]数字音频信号处理原理

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发表于 2006-2-28 18:52 | 显示全部楼层 |阅读模式
CD、VCD、DVD视盘机都是数字信号处理器,VCD和DVD在数字信号处理的基础上,还要进行数据压缩。本节讨论数字音频信号处理的基本原理,它是各种视盘机的理论基础。
一、模拟信号的数字化
在处理数字化音频信号时,编码过程中需要把模拟信号转变为数字信号,然后进一步加工处理;解码过程中则需要把数字信号转变为模拟信号。解码是编码的逆过程,编码过程主要进行信号的取样、量化和数字编码等处理。
1、取样
所谓“取样”,是将具有连续波形的信号按一时间间隔Ts(称取样周期),取得脉冲性信号
理论证明:取样信号的取样频率fs(Ts周期的倒数)应为该模拟信号上限频率的2倍以上,才能确保解码重放时得到不失真的复原;若取样频率fs值过低,在重放信号时将发生频率重叠效应,即取样频谱与被取样频谱出现重叠频率区。如果这样对音频信号进行取样的话,音频取样信号的频谱将与原音频信号频谱发生混叠区,它将造成在重放该声音时会引入干扰。
模拟音频信号的上限频率取20kHz,在数字音频技术中,取样频率fs应大于该值2倍以上。经研究选取fs=44.1kHz。若取样频率取该值,则重放声音信号的最高频率允许达到22kHz,这对提高声音的保真度非常有利。为了防止发生频率重叠现象,在数字信号处理系统的输入端、输出端,经常设置上限频率为20kHz的低通滤波器,输出端滤波器还兼有平滑滤波作用。
   2、量化       
所谓量化,是将取样信号的电平(幅度)分级取整的过程。在记录时,所取级数越多,分得越仔细;在重放时恢复的模拟信号失真越小。若所取级数为N,为了便于进行数字处理,通常用公式N=2n  来表示,其中n称为量化位数,或称量化比特数,可用bit为单位。可见,级数N受量化比特数n控制。实际上,量化误差与模拟信号的频率和数据字的长度有关系。
对实用的双通道立体声系统来说,CD唱机的取样频率fs=44.1kHz,量化比特率取n=16。根据数字音频理论,可以计算每秒钟所传送、处理数码的数目,并称之为码率,或称为信道比特率,而且码率R=mnfs。其中m是传送通道数目,这里m=2。代入上式,可知码率R=2*16*44.1k=1.4112M(bit/s)。对其中每个声道来说,其码率为上述值的一半,即每秒钟传送705.6kbit(位)数码。该码率可以折算为数字电路所需通频带宽度,一般电路带宽取△B=(0.5~1)R,则可知电路带宽约1.4MHz。由于音频信号还要经过EFM调制等处理过程,实际传送信号的码率需要增加到4.3218M/bit/s。
3、编码
经过量化处理的脉冲信号仍不是数码信号,它属于PAM信号。然后,要对各脉冲信号的电平值使用二进制数码表示,即用0、1或者高、低电平的数目来表示。在图2.1.2,已将4个整数电平值使用0、1两种数码排列的数字表示了,这种二值化数码信号才是数字信号。数字信号系统是处理、传输按照二进制数码排列的数字脉冲信号的电路。这种规格的信号称为PCM信号(脉冲编码调制信号)。数字信号系统专门处理这类信号。
CD对左右双声道信号进行取样、量化和编码,将左右两路音频数据信号串接在一起,取得一连串左、右声道数据交替出现的数据流,并规定以左声道数据流领先输出,然后是右声道数据流。在数字音频电路输出端,将第一组数据送往左声道,将第二组数据送往右声道,然后依次交替下去。
经研究得知,数字编码信号的信噪比(S/N)与量化比特数n有关系,具体表示式为S/N=6n+1.75≈6n(dB)。在一般线性量化情况下,该信噪比也基本上就是该数字音频系统的动态范围。一般取量化比特率n=16,可知系统的信噪比和动态范围约为6*16=96(dB)。该值远远超过各种模拟信号处理设备的数值。由式可知,n每增加1bit(比特),信噪比和动态范围约增加6dB。n值越大,重放效果越理想,原信号的失真越小,细节表现越清晰、柔和。但增加n值也使电路频带宽度加宽,传输码率大大增加,技术难度增加,电路成本提高。
二、纠错与检错
1、纠错检错原因
在光盘制作过程中,经常发生随机性误码或数码丢失;盘面伤痕或缺损,也造成突发性误码。还有,使用光盘时,由于不慎也使盘面带有指纹、油污或伤痕,也造成重放时产生错误数码。这些情况将引起重放的信噪比变坏,甚至光盘无法使用。为了避免发生这些问题,应当采取措施,对那些随机性错误和较长时间突发性错误,要进行检查、纠正和补偿。这种措施称为纠错检错技术,它可自动对错码进行纠正和补偿,以便正常播放信号。
2、CIRC码和纠错原理
在光盘上记录信号数据时,以帧为单位,进行交织处理。它可把光盘损伤等造成的群错码进行分解,可把成片的误码转变为分散的单个误码,以便于使用奇偶校验法来纠正误码。但在解调时,则应当对经过交织处理的数据进行解交织,将它们还原为原有数据串。在CD和VCD系统中,纠错技术采用了CIRC和奇偶校验码,它能够自动校正错码,进行相邻量值之间的线性内插补正。CIRC码是交叉交错里德――索罗门码的英语缩写词。
通常,在记录音频信号时,取左右两个声道音频信号的6个取样点作为一帧,每一帧音频信号又含有24个音频字符,每个字符取为8 bit。在进行CIRC编码之前,先将同一帧的24个音频字符经过扰码器处理,将相邻字符打乱并隔离开,作交叉交错变换,

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