音频信号的数字化.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,教育电声系统,二、音频信号的数字化,音频信号的数字化,本章知识要点,1、音频信息的频率范围,2、音频信号的数字化,3、音频信号的模,/,数与数,/,模转换,音频信号的数字化,音频信息的频率范围,音频信号的描述,时域描述,声音信号的强弱随时间的变化,(,曲线,),时域纵坐标表示声压的大小，横坐标表示时间进程,频域描述,声音信号中所含频率成分的分布（频谱）,频域纵坐标表示声压的大小，横坐标表示幅度随频率的变化,0,1,2,3,4,6,5,音频信号的数字化,音频信息的频率范围,音频信号分为纯音和复音，复音信号由一个较强的基音和数个,其他频率、幅度较弱的泛音组合而成,声音信号的不同音调由该声音的基音所决定，不同频率的声音,信号对于人的听觉器官所形成不同的听觉感受,20Hz,可闻域的频率范围,20KHz,对音频信号进行捕捉加以采样必须能够覆盖声音信号的频率范,围，才能够保证采样对声音信号的如实表现,音频信号的数字化,信号：将信息从一处传递到另一处的变化形式,音频信号的数字化,信号的特征,连续信号 离散信号,时间方面 任何时刻都有定义,某些时间点无定义,幅度方面,在实数域中取值 取实数域中的部分值,人们通过感官感觉到的声音信号都是模拟信号，信号在时间上,连续，需要无限多个数值来精确表示物理量的大小,音频信号的数字化,模拟信号和数字信号可以通过类型的转换来表达近似的信息,1,、对模拟信号以一定的时间间隔采集，并保持到下一次采样,2,、,用最接近的量化电平代表采样保持电平,这个过程称为模拟信号转换为数字信号的数字化,音频信号的数字化,音频信号的数字化,模拟信号和数字信号可以通过类型的转换来表达近似的信息,1,、对模拟信号以一定的时间间隔采集，并保持到下一次采样,2,、,用最接近的量化电平代表采样保持电平,这个过程称为模拟信号转换为数字信号（,A,/,D,转换）,音频信号的数字化,音频信号的数字化,音频信号是连续非周期信号，应用傅里叶变换（,FT,）：,音频信号的数字化,m,-,m,t,得到的幅频分布形式在所有的频率处都有值，形成一个连续频,谱,频谱描述了信号所包含的从,0,到,m,点对称排列的所有频率分,量，频谱的幅度实际上就是反映了每个频率分量正弦波的幅度,音频信号的数字化,音频信号的数字化,音频信号经过采样形成离散信号，应用傅里叶变换（,DTFT,）,：,t=,-,得到的幅频分布形式是连续的频谱,离散非周期信号的频谱是周期性的，周期为,1,/,Ts,，,形成以,n,*,s,为中心的频谱镜像,t,-,m,m,音频信号的数字化,数字信号类型不适合正确地再现声音信号，数字化处理后需要,进行模拟信号的重新构建,1,、,把数字代码在每个时间间隔转换为与其成比例的模拟电压，,并将模拟电压的电平保持到下一个时间间隔开始,2,、,用滤波器平滑阶梯形式的保持电平变为光滑的模拟信号,这个过程称为数字信号转换为模拟信号（,D,/,A,转换）,音频信号的数字化,音频信号的数字化,采样,采样是从模拟信号到数字信号的第一个过程,采样事实上是从模拟信号的无限个数据中抽取数据的一部分，,其目的是减少要处理的数据量,音频信号的数字化,数据量与进行采样的一定的时间间隔成反比，这个时间间隔称,采样周期,Ts,采样频率,f,S,=,1,/,T,s,（赫兹,Hz,）表示每秒的采样点数,采样后进行量化的信号只是原模拟信号的一部分,音频信号的数字化,采样,采样是从模拟信号到数字信号的第一个过程,采样事实上是从模拟信号的无限个数据中抽取数据的一部分，,其目的是减少要处理的数据量,音频信号的数字化,数据量与进行采样的一定的时间间隔成反比，这个时间间隔称,采样周期,Ts,采样频率,f,S,=,1,/,T,s,（赫兹,Hz,）表示每秒的采样点数,采样后进行量化的信号只是原模拟信号的一部分,音频信号的数字化,采样信号是否能代表真实的原模拟信号就成了一个非常重要的,问题，不失真采样就成为了数字信号处理的先决条件,奈奎斯特,采样定理：若模拟信号的最大频率为,W(Hz),，则至少,要以每秒,2W,次的采样频率进行采样，才能由采样值,x n,恢复原来,的模拟信号,x(t),奈奎斯特采样率,S,=2*,m,音频信号的数字化,采样定理是信号数字化的基础,信号的采样决定了系统的频率带宽,音频信号的数字化,模拟信号进行采样需要出现的情况,完全满足采样定理，,S,2,m,形成一组离散采样值的模拟源信号可以惟一确定，从模拟数字,转换后的数字信号可以恢复为原模拟信号,将数字化信号从,x n,的端点用光滑的曲线拟合起来，则和原模,拟信号非常相似,称为不失真采样,音频信号的数字化,t,音频信号的数字化,模拟信号进行采样需要出现的情况,不满足采样定理，,S,2,m,产生这些采样值的模拟信号就会有不确定性，则采集后的数字信,号无法恢复原信号,数字化信号,x n,的端点可能对应若干模拟源信号的曲线,称为欠采样,音频信号的数字化,t,音频信号的数字化,模拟信号进行采样需要出现的情况,不满足采样定理，,S,2,m,从频域分析：,对模拟信号,欠采样将形成混叠现象,由采样信号,x n,恢复出来的模拟信号,x(t),，呈现的频率不超过,奈奎斯特频率,S,，,高于,S,的信号,频谱将形成重叠，在重叠的部分，,频谱分量相加，无法从离散信号的频谱恢复出原始的模拟信号频谱,音频信号的数字化,m,-,m,s,/2,-,s,/2,3,s,/2,-3,s,/2,音频信号的数字化,模拟信号进行采样需要出现的情况,刚满足采样定理，,S,=2,m,为临界的情况，对于是由无限个正弦信号叠加而成的信号，只,保证信号成分中最低频分量和正弦波的形式,从频域分析：,由采样信号,x n,恢复出来的模拟信号,x(t),，呈现的频率刚刚满,足,m,的频谱要求,音频信号的数字化,m,-,m,s,-,s,音频信号的数字化,音频信号的过采样,音频信号的过采样，不是通过频谱的混叠失真来限定,m,的带宽，,而是以超过奈奎斯特采样率的频率进行采样（,2,倍以上）,在对信号数字处理之前，设置一个上限频率合适的前置滤波，,对,模拟信号进行限带滤波，滤除频率高于,m,的频率分量，使,信号的,频率分布在一个频率区间内，即,f,-,f,m,f,m,，,m,S,/,2,过采样,设置保证模拟滤波后残留的高频信号频谱不影响重要信,号的频谱，通常选为,:,S,=,（,2.12.5),m,音频信号的数字化,m,-,m,s,-,s,音频信号的数字化,量化,采样把模拟信号变成时间上离散的数值序列，每个数值的幅度,仍然是连续的模拟量，量化就是对采样的幅度值离散化，转换为有,限个离散值,音频信号的数字化,量化原理,设置,n,个判决电平，表示幅度的连续模拟量,X,通过电平判决，,当,X X,k,X,k+1,，,K=1,2,n,，输出为,X,k,，称为幅度量的第,K,个量化值,X,k,X,k+1,X,n,t,音频信号的数字化,量化作用,由于量化是通过符合原理的判决电平代替采样保持电平的幅度,值，,可以把要处理的无限多数据个数减少到有限量，减小对系统资,源的占用，使信号所需的处理代价在可接受的范围内,音频信号的数字化,量化比特数,2,=R,/,Q,（,R:,模拟量的最大变化范围,Q:,量化步长）,对于给定的变化范围，随着比特数的增加，量化步长变小，数,字信号与模拟信号就越接近,音频信号的数字化,量化作用效果,由于,随着比特数的增加，量化步长变小，信号的量化比特数将,决定系统的分辨率,音频信号的数字化,量化对模拟音频信号的幅度轴进行数字化所采用的比特数决定,了模拟信号数字化以后的动态范围，量化位越高，信号的动态范围,越大,3,比特,4,比特,8,比特,音频信号的数字化,量化误差,在采样时刻，连续模拟信号的幅度值通过设置的量化判决被求,整成最接近的量化电平，,以有限个离散值近似表示实际的连续值,，,采样时刻的实际值可能会与量化判决电平重合，也可能处于相邻的,两级判决电平之间，用量化值表示实际值必将存在误差,量化误差量化值实际值,音频信号的数字化,量化误差是一种原理性误差，只能减小而不能消除,量化误差也称为量化噪声，用量化的信噪比衡量,音频信号的数字化,音频信号的数字化,量化信噪比,量化过程中，误差最大的情况是模拟信号的采样幅度值处于两,个相邻量化电平的中间，,量化误差由量化步长的大小决定,所以量化误差与量化步长成正比，与量化比特数成反比,根据：音频信号的最大均方根幅度,S,rms,=2,Q,/,2,均方根误差幅度,E,rms,=1,/,Q e,de,=Q,/,12,信号幅度与噪声幅度的比值：,S,/,E=3,/,2(2,),S,/,E(dB,)=20lg3,/,2(2,),=6.02n+1.76,-1,Q,/,2,-Q,/,2,n,n,量化比特数每增加,1,比特，,信噪比增加约,6 dB,音频信号的模,/,数与数,/,模转换,模,/,数转换,音频信号的数字化,音频信号模,/,数转换的过程包括采样阶段和量化阶段,采样,每个采样点，采样电路按照一定的速度（采样周期）采集输入信号，并保持到下一个周期不变,量化,用最接近的量化电平代替采样保持电平，并将量化值用二进制数码输出,音频信号的模,/,数与数,/,模转换,模,/,数转换器的参数,音频信号的数字化,转换时间,转换器完成一次,A,/,D,转换所需的时间（包括稳定时间），转换,时间必须小于采样周期,分辨率,转换器最大输出信号幅度与,2,的比值,量化误差,对于均匀量化转换器的最大量化误差为,1,/,2Q,比特率,转换器的比特数处理速度,bps=n*,s,单位：,b/s,音频信号的模,/,数与数,/,模转换,数,/,模转换,音频信号的数字化,音频信号数,/,模转换的过程包括转换阶段和滤波阶段,转换,把数字代码变换为模拟电平，电平与数字的大小成正比，将电平保持一个采样周期，直到下一个周期开始变为新的电平幅度,滤波,用低通滤波器,(,抗镜像滤波器,),滤除阶梯状的电平保持信号中寄,生的频率分量，平滑为光滑的模拟信号,音频信号的模,/,数与数,/,模转换,数,/,模转换器的参数,音频信号的数字化,分辨率,转换器最小输出电压与最大输出信号,的比值，用转换器的数字,输入比特数表示,非线性误差,理想的输入,输出特性曲线与实际转换曲线的偏差，用最小数字输入的分数表示,建立时间,转换器的输入代码有满度值的变化时，输出模拟信号达到满度,值所需要的时间,音频信号数字化小结,音频信号的数字化,采样就是定时从模拟信号中取值，奈奎斯特定理表明采样频率至少为信号最大频率的两倍,奈奎斯特采样率是被采样信号最大频率的两倍,，欠采样是以小于奈奎斯特速率进行的采样，导致混叠，改变了信号的频谱,模拟信号转换为数字信号的过程：第一步是通过滤波器滤除大于奈奎斯特频率的分量；第二步是采样保持，它确定了采样时刻，并保持模拟值以便转换；第三步是量化，对于,N,比特,MD,转换器，共有,2N,个可能的量化电平，选择最接近该采样值的一个，然后把相应的数字代码分配给该采样值，这样就完成了,A/D,转换,数字信号转换成模拟信号的过程：数字信号先转换成与之成比例的模拟电平；用保持电路进行一个采样周期的信号保持；,D,A,转换通过低频滤波器平滑信号,