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數(shù)字音響
數(shù)字音響的原理
模擬信號變換成離散的數(shù)字信號, 雖有多種方法, 但為了將連續(xù)的在數(shù)字音響中普遍采用的是脈沖編碼調(diào)制方式, 即所謂PCM(Pulse Code Modulation)。 PCM方式是法國人 A. H. 里福斯于1937 年發(fā)明的, 早已廣泛應(yīng)用于通信之中。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步, 特別是發(fā)展到超大規(guī)模集成電路階段后, PCM方式應(yīng)用于音響領(lǐng)域, 并進入家庭成為現(xiàn)實。
數(shù)字音響設(shè)備的基本組成
PCM方式是由取樣, 量化和編碼三個基本環(huán)節(jié)完成的。
數(shù)字音響設(shè)備的工作原理
(1) 取樣
對振幅隨時間連續(xù)變化的信號波形按一定的時間間隔取出樣值, 形成在時間上不連續(xù)的脈沖序列, 稱之為取樣。這個時間間隔稱為取樣周期, 記為Ts, 相應(yīng)的取樣頻率fs=1/Ts。
(2) 量化
將模擬信號的幅度動態(tài)范圍劃分為相等間隔的若干層次, 把取樣輸出的信號電平按照四舍五入的原則歸入最靠近的量值, 稱之為量化。
(3) 編碼
把取樣, 量化所得的量值變換為二進制數(shù)碼的過程稱為編碼。 在數(shù)字音響中, 通常采用16位(bit)數(shù)碼表示一個量值, 即量化位數(shù)n=16。
（4）糾錯編碼
由于激光唱片和盒式磁帶在制作和使用過程中會發(fā)生超過容許范圍的損傷, 使所讀出的數(shù)字信號與原來所記錄的信號有所差別, 因此, 必須采取糾正錯碼的措施。
(5) 調(diào)制
模擬音頻信號經(jīng)取樣, 量化, 編碼和CIRC糾錯編碼后形成的數(shù)字信號, 還不宜直接記錄在唱片或磁帶上。 因為在數(shù)據(jù)流中可能會出現(xiàn) 16 位全部為 0 或 1 的情況, 從唱片或磁帶上讀取時會使信號極不穩(wěn)定, 也會造成伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
(6) 幀結(jié)構(gòu)
數(shù)字信號是以字符為單位的, 若偏移 1 位, 就會使該字符代表的信號電平發(fā)生變化。 為此, 必須把記錄信號分割成很小的字組, 并設(shè)法判斷出各字組之間的分界線, 這樣的字組稱為幀。
數(shù)字音響的主要性能
數(shù)字音響設(shè)備的主要性能指標包括有效頻率范圍, 動態(tài)范圍, 信噪比, 失真度, 聲道分離度, 傳碼率等, 其中有些指標可從取樣頻率和量化位數(shù)等參數(shù)值分析得到。
1. 有效頻率范圍的上限頻率fm
因為CD唱片的取樣頻率fs=44.1 kHz, 所以允許音頻信號上限頻率fm≤fs/2=22.05 kHz, 這就是有效頻率范圍的極限上限頻率。
2. 信噪比(S/N)和動態(tài)范圍
理論分析表明, 由量化噪聲決定的信噪比可用下式計算:
(S/N)=6n+1.75≈6n (dB) 式中n為量化位數(shù), 在CD唱片中, n=16, 所以(S/N)≈96(dB)。 在線性量化情況下, 上式也就是數(shù)字音響設(shè)備的動態(tài)范圍。
3. 傳碼率R
數(shù)字音響系統(tǒng)每秒鐘所傳送的碼數(shù)稱為傳碼率, 可用下式計算:
R=m·n·fs (位/s)式中m為聲道數(shù), 對于雙聲道立體聲系統(tǒng), m=2, 因為CD唱片的n=16, fs=44.1 kHz,故 R＝1.411 2 兆位/s。 CD唱片還要經(jīng)過EFM調(diào)制, 其實際傳碼率為4.321 8 兆位/s。
數(shù)字音響的主要特點
1. 信噪比高
數(shù)字音響記錄形式是二進制碼, 重放時只需判斷“0”或“1”。 因此, 記錄媒介的噪聲對重放信號的信噪比幾乎沒有影響。 而模擬音響記錄形式是連續(xù)的聲音信號, 在錄放過程中會受到諸如磁帶噪聲的影響, 要疊加在聲音信號上而使音質(zhì)變差。 盡管在模擬音響中采取了降噪措施, 但無法從根本上加以消除。
2. 失真度低
在模擬音響錄放過程中, 磁頭的非線性會引入失真, 為此須采取交流偏磁錄音等措施, 但失真仍然存在。 而在數(shù)字音響中, 磁頭只工作在磁飽和及無磁兩種狀態(tài), 表示 1 和 0, 對磁頭沒有線性要求。
3. 重復(fù)性好
數(shù)字音響設(shè)備經(jīng)多次復(fù)印和重放, 聲音質(zhì)量不會劣化。 傳統(tǒng)的模擬盒式磁帶錄音, 每復(fù)錄一次, 磁帶所錄的噪聲都要增加, 致使每次復(fù)錄要降低信噪比約 3 dB, 子帶不如母帶, 孫帶不如子帶, 音質(zhì)逐次劣化。
4. 抖晃率小
數(shù)字音響重放系統(tǒng)由于時基校正電路作用, 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng), 驅(qū)動系統(tǒng)的不穩(wěn)不會引起抖晃,因而不必要求像模擬記錄中那樣的精密機械系統(tǒng)。
5. 適應(yīng)性強
數(shù)字音響所記錄的是二進制碼, 各種處理都可作為數(shù)值運算來進行, 并可不改變硬件, 僅用軟件操作, 便于微機控制, 故適應(yīng)性強。
6. 便于集成
由于數(shù)字化, 因而便于采用超大規(guī)模集成電路, 并使整機調(diào)試方便, 性能穩(wěn)定, 可靠性高, 便于大批量生產(chǎn), 可以降低成本。
