[转帖]数字音频信号处理原理

雨轩

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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好.谢谢你.