第二章模拟音频和数字音频

第二章模拟音频和数字音频.doc-1-第第二二章章模模拟拟音音频频和和数数字字音音频频人人耳耳是是声声音音的的主主要要感感觉觉器器官官，，人人们们从从自自然然界界中中获获得得的的声声音音信信号号和和通通过过传传声声器器得得到到的的声声音音电电信信号号等等在在时时间间和和幅幅度度上上都都是是连连续续变变化化的的，，时时间间上上连连续续、、而而且且幅幅度度随随时时间间连连续续变变化化的的信信号号称称为为模模拟拟信信号号((例例如如声声波波就就是是模模拟拟信信号号，，音音响响系系统统中中传传输输的的电电流流、、电电压压信信号号也也是是模模拟拟信信号号))，，记记录录和和重重放放信信号号的的音音源源就就是是模模拟拟音音源源，，例例如如磁磁带带／／录录音音座座、、LLPP／／LLPP电电唱唱机机等等；；时时间间和和幅幅度度上上不不连连续续或或是是离离散散的的，，只只有有00和和ll两两种种变变化化的的信信号号称称为为数数字字信信号号，，记记录录和和重重放放数数字字信信号号的的音音源源叫叫做做数数字字音音源源，，例例如如CCDD／／CCDD机机、、DDVVDD／／DDVVDD播播放放机机等等。。究究竟竟模模拟拟音音频频与与数数字字音音频频有有什什么么不不同同呢呢??数数字字音音频频究究竟竟有有些些什什么么优优点点呢呢??这这些些都都是是下下面面要要介介绍绍的的。。模模拟拟音音频频信信号号记记录录录录音音泛泛指指把把声声能能转转变变为为其其他他形形式式的的能能量量而而加加以以存存储储，，录录音音时时采采用用的的存存储储媒媒介介主主要要是是磁磁性性材材料料，，如如磁磁带带、、磁磁盘盘等等，，也也可可以以是是感感光光材材料料，，如如光光盘盘等等。。由由此此录录音音技技术术也也可可分分为为磁磁记记录录和和光光记记录录两两种种。。另另外外，，近近年年来来半半导导体体内内存存件件发发展展很很快快，，成成为为一一种种新新型型的的记记录录和和存存储储设设备备。。在在本本节节中中将将重重点点介介绍绍磁磁带带录录音音技技术术。。一一、、磁磁带带录录音音装装置置的的基基本本结结构构磁磁带带录录音音装装置置一一般般由由磁磁头头、、机机械械传传动动((称称为为““机机芯芯””))机机构构和和电电路路三三部部分分组组成成。。二二、、模模拟拟录录音音载载体体------磁磁带带三三、、录录音音和和放放音音的的基基本本原原理理11．．消消音音原原理理磁磁带带在在录录音音前前，，必必须须将将原原有有的的声声音音信信号号((剩剩磁磁))抹抹去去，，称称之之为为消消音音或或消消磁磁。。22．．录录音音与与录录音音偏偏磁磁原原理理录录音音是是将将声声音音电电信信号号以以剩剩磁磁的的形形式式保保存存在在磁磁带带上上。。33..放放音音原原理理放放音音是是将将磁磁带带上上保保存存的的剩剩磁磁信信号号还还原原成成相相应应的的声声音音电电信信号号..第第二二节节数数字字音音频频基基础础传传统统的的信信号号都都是是以以模模拟拟手手段段进进行行处处理理的的，，称称为为模模拟拟信信号号处处理理。。所所谓谓模模拟拟音音频频是是指指用用电电信信号号((电电压压、、电电流流))来来模模仿仿声声音音物物理理量量的的变变化化。。因因为为声声音音是是在在时时间间和和幅幅度度上上都都连连续续变变化化的的信信号号，，所所以以模模拟拟电电信信号号在在时时间间和和幅幅度度上上也也是是连连续续变变化化的的，，故故称称之之为为模模拟拟音音频频信信号号。。模模拟拟音音频频信信号号处处理理有有很很多多弊弊端端，，如如抗抗干干扰扰能能力力差差，，容容易易受受机机械械振振动动、、模模拟拟电电路路的的影影响响产产生生失失真真，，远远距距离离传传输输受受环环境境影影响响较较大大等等。。数数字字信信号号是是以以数数字字化化形形式式对对模模拟拟信信号号进进行行处处理理，，它它在在时时间间和和幅幅度度上上都都是是离离散散的的。。随随着着大大规规模模集集成成电电路路以以及及计计算算机机技技术术的的飞飞速速发发展展，，加加之之数数字字信信号号处处理理理理论论和和技技术术的的成成熟熟和和完完善善，，数数字字信信号号处处理理已已逐逐渐渐取取代代了了模模拟拟信信号号处处理理。。因因为为数数字字音音频频信信号号抗抗干干扰扰性性强强，，无无噪噪声声积积累累可可做做到到多多代代复复制制和和长长距距离离传传输输无无失失真真!!数数字字音音频频信信号号的的优优点点主主要要有有以以下下几几个个方方面面：：①①精精度度高高：：模模拟拟信信号号处处理理的的精精度度主主要要由由元元器器件件决决定定，，很很难难达达到到00..000011。。而而数数字字信信号号处处理理的的精精度度主主要要决决定定于于字字长长，，1144位位字字长长就就可可达达到到00..00000011的的精精度度。。②②灵灵活活性性高高：：数数字字信信号号处处理理系系统统的的性性能能主主要要决决定定于于乘乘法法器器的的系系数数，，而而系系数数存存放放于于内内存存中中，，因因而而只只需需改改变变存存储储的的系系数数就就可可得得到到不不同同的的系系统统，，比比改改变变模模拟拟系系统统方方便便得得多多。。第二章模拟音频和数字音频.doc-2-③③可可靠靠性性强强：：因因为为数数字字系系统统只只有有““oo””和和““11””两两种种信信号号，，因因而而受受周周围围环环境境的的温温度度及及噪噪声声的的影影响响较较小小。。而而模模拟拟系系统统的的各各元元器器件件都都有有一一定定的的温温度度系系数数，，且且电电平平是是连连续续变变化化的的，，易易受受温温度度、、噪噪声声、、电电感感效效应应等等的的影影响响。。④④易易于于大大规规模模集集成成：：由由于于数数字字化化部部件件具具有有高高度度规规范范性性，，便便于于大大规规模模集集成成、、大大规规模模生生产产，，而而对对电电路路参参数数要要求求不不如如模模拟拟装装置置苛苛刻刻，，故故产产品品成成品品率率高高。。⑤⑤可可实实现现时时分分复复用用：：可可利利用用数数字字信信号号处处理理器器同同时时处处理理几几个个信信道道的的信信号号。。⑥⑥便便于于处处理理、、存存储储和和交交换换，，实实现现二二维维甚甚至至多多维维信信号号的的处处理理，，包包括括二二维维或或多多维维滤滤波波、、频频谱谱分分析析等等。。把把模模拟拟的的电电信信号号变变为为数数字字电电信信号号这这一一过过程程称称为为模模拟拟信信号号数数字字化化，，即即模模／／数数转转换换((AA／／DD))。。AA／／DD转转换换通通常常采采用用PPCCMM((脉脉冲冲编编码码调调制制))技技术术来来实实现现。。AA／／DD转转换换过过程程包包括括三三个个阶阶段段，，即即取取样样、、量量化化、、编编码码。。下下面面分分别别介介绍绍。。一一、、取取样样取取样样也也叫叫采采样样，，是是指指将将时时间间轴轴上上连连续续的的信信号号每每隔隔一一定定的的时时间间间间隔隔抽抽取取出出一一个个信信号号的的幅幅度度样样本本，，把把连连续续的的模模拟拟量量用用一一个个个个离离散散的的点点来来表表示示，，使使其其成成为为时时间间上上离离散散的的脉脉冲冲序序列列。。显显然然，，取取样样点点需需要要足足够够密密集集，，才才能能很很好好地地表表达达原原始始模模拟拟信信号号的的特特征征。。每每秒秒钟钟取取样样的的次次数数称称为为取取样样频频率率或或取取样样率率，，比比如如：：CCDD的的取取样样率率为为4444．．11kkHHzz，，表表示示每每秒秒钟钟取取样样4444110000次次。。某某一一数数字字取取样样系系统统的的取取样样频频率率为为4444kkHHzz，，假假定定有有一一个个3366kkHHzz((2222kkHHzz))的的频频率率进进入入取取样样器器，，则则依依据据上上式式，，在在得得到到的的样样品品中中就就会会包包括括有有3366kkHHzz、、88kkHHzz的的两两个个频频率率信信号号，，取取样样输输出出电电路路中中有有一一个个过过滤滤2222kkHH：：以以上上频频率率的的滤滤波波器器进进行行滤滤波波，，结结果果3366kkHHzz的的信信号号被被滤滤掉掉，，而而88kkHHzz的的信信号号保保留留了了下下来来，，成成为为干干扰扰信信号号，，这这就就是是信信号号混混叠叠现现象象..大大家家可可以以发发现现，，上上下下波波形形之之所所以以不不吻吻合合，，是是因因为为取取样样点点不不够够多多，，或或严严谨谨一一点点说说，，是是取取样样频频率率不不够够高高。。这这种种情情况况，，我我们们称称之之为为低低频频失失真真。。一一个个常常见见的的低低频频失失真真的的例例子子如如电电影影上上车车辆辆行行驶驶时时车车轮轮转转动动的的情情况况((一一个个典典型型的的““马马车车轮轮效效应应的的例例子子))，，飞飞速速转转动动的的车车轮轮有有时时看看起起来来似似乎乎是是静静止止不不动动甚甚至至会会向向反反方方向向转转动动((类类似似的的情情况况也也发发生生在在直直升升飞飞机机的的翼翼片片和和螺螺旋旋桨桨上上面面))。。二二、、量量化化所所谓谓量量化化，，就就是是度度量量采采样样后后离离散散信信号号幅幅度度的的过过程程，，度度量量结结果果用用二二进进制制数数来来表表示示。。量量化化精精度度就就是是度度量量时时分分级级的的多多少少。。模模拟拟信信号号通通过过取取样样已已变变成成一一个个时时间间上上离离散散的的脉脉冲冲样样品品序序列列，，但但在在电电平平幅幅度度上上仍仍会会在在其其动动态态范范围围内内有有连连续续变变化化，，即即可可能能出出现现任任意意幅幅值值。。11．．量量化化比比特特数数量量化化等等级级通通常常用用二二进进制制的的位位数数咒咒表表示示，，称称为为量量化化比比特特数数。。以以位位的的二二进进制制数数字字可可以以有有22nn个个量量化化级级数数，，比比如如88位位((88bbiitt))，，并并不不是是把把纵纵坐坐标标分分成成88份份，，而而是是分分成成2288——225566份份；；同同理理1166位位是是把把纵纵坐坐标标分分成成221166——6655553366份份；；而而2244位位则则分分成成222244==1166777777221166份份。。CCDD的的量量化化精精度度为为1166bbiitt((1166位位二二进进制制数数))，，换换算算为为十十进进制制，，分分级级数数等等于于6655553366((221166))。。也也就就是是说说，，以以CCDD的的标标准准，，可可以以分分辨辨出出11／／6655553366级级的的幅幅度度变变化化。。但但如如果果信信号号的的幅幅度度变变化化比比11／／6655553366级级还还小小呢呢??答答案案很很简简单单：：量量不不出出结结果果，，就就像像用用精精细细到到11mmmm的的尺尺子子去去量量一一根根头头发发的的直直径径一一样样。。量量不不出出结结果果就就没没有有资资料料，，将将来来还还原原成成模模拟拟信信号号时时就就会会形形成成背背景景噪噪声声，，专专业业术术语语叫叫量量化化噪噪声声。。量量化化噪噪声声是是数数字字音音源源信信噪噪比比提提高高的的主主要要限限制制，，对对于于CCDD规规格格，，假假设设最最强强信信号号为为一一个个单单位位，，噪噪声声大大小小就就是是11／／6655553366个个单单位位，，因因此此，，它它的的信信噪噪比比为为6655553366((221166))，，即即9966ddBB。。11．．为为什什么么要要压压缩缩标标准准的的CCDD音音质质处处理理，，也也就就是是说说11秒秒钟钟内内取取样样4444．．11千千次次，，每每次次的的资资料料量量1166××22==3322bbiitt((因因为为立立体体声声是是两两个个声声道道))。。而而一一个个字字节节((BByyttee))含含有有88位位((bbiitt))，，那那么么11秒秒钟钟内内的的资资料料量量则则为为4444．．11kk××．．3322bbiitt／／((88