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數(shù)字音響
數(shù)字音響的原理
模擬信號(hào)變換成離散的數(shù)字信號(hào), 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(guó)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(jìn)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(jìn)入家庭成為現(xiàn)實(shí)。
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(gè)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(duì)振幅隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)波形按一定的時(shí)間間隔取出樣值, 形成在時(shí)間上不連續(xù)的脈沖序列, 稱(chēng)之為取樣。這個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)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(hào)的幅度動(dòng)態(tài)范圍劃分為相等間隔的若干層次, 把取樣輸出的信號(hào)電平按照四舍五入的原則歸入最靠近的量值, 稱(chēng)之為量化。
(3) 編碼
把取樣, 量化所得的量值變換為二進(jìn)制數(shù)碼的過(guò)程稱(chēng)為編碼。 在數(shù)字音響中, 通常采用16位(bit)數(shù)碼表示一個(gè)量值, 即量化位數(shù)n=16。
（4）糾錯(cuò)編碼
由于激光唱片和盒式磁帶在制作和使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生超過(guò)容許范圍的損傷, 使所讀出的數(shù)字信號(hào)與原來(lái)所記錄的信號(hào)有所差別, 因此, 必須采取糾正錯(cuò)碼的措施。
(5) 調(diào)制
模擬音頻信號(hào)經(jīng)取樣, 量化, 編碼和CIRC糾錯(cuò)編碼后形成的數(shù)字信號(hào), 還不宜直接記錄在唱片或磁帶上。 因?yàn)樵跀?shù)據(jù)流中可能會(huì)出現(xiàn) 16 位全部為 0 或 1 的情況, 從唱片或磁帶上讀取時(shí)會(huì)使信號(hào)極不穩(wěn)定, 也會(huì)造成伺服系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
(6) 幀結(jié)構(gòu)
數(shù)字信號(hào)是以字符為單位的, 若偏移 1 位, 就會(huì)使該字符代表的信號(hào)電平發(fā)生變化。 為此, 必須把記錄信號(hào)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(chēng)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(biāo)包括有效頻率范圍, 動(dòng)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(biāo)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?yàn)镃D唱片的取樣頻率fs=44.1 kHz, 所以允許音頻信號(hào)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(chēng)為傳碼率, 可用下式計(jì)算:
R=m·n·fs (位/s)式中m為聲道數(shù), 對(duì)于雙聲道立體聲系統(tǒng), m=2, 因?yàn)镃D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(guò)EFM調(diào)制, 其實(shí)際傳碼率為4.321 8 兆位/s。
數(shù)字音響的主要特點(diǎn)
1. 信噪比高
數(shù)字音響記錄形式是二進(jìn)制碼, 重放時(shí)只需判斷“0”或“1”。 因此, 記錄媒介的噪聲對(duì)重放信號(hào)的信噪比幾乎沒(méi)有影響。 而模擬音響記錄形式是連續(xù)的聲音信號(hào), 在錄放過(guò)程中會(huì)受到諸如磁帶噪聲的影響, 要疊加在聲音信號(hào)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(wú)法從根本上加以消除。
2. 失真度低
在模擬音響錄放過(guò)程中, 磁頭的非線性會(huì)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(wú)磁兩種狀態(tài), 表示 1 和 0, 對(duì)磁頭沒(méi)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(huì)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(shí)基校正電路作用, 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng), 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)不會(huì)引起抖晃,因而不必要求像模擬記錄中那樣的精密機(jī)械系統(tǒng)。
5. 適應(yīng)性強(qiáng)
數(shù)字音響所記錄的是二進(jìn)制碼, 各種處理都可作為數(shù)值運(yùn)算來(lái)進(jìn)行, 并可不改變硬件, 僅用軟件操作, 便于微機(jī)控制, 故適應(yīng)性強(qiáng)。
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(jī)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。
