Transcript 数字信号基础
课件目录 数字信号概述 音频信号数字化存储过程 数字信号编码 纠错技术基础 1 数字信号概述 模拟信号 模拟信号的特点是信号的幅度随时间连续变化 2 数字信号概述 数字信号 数字信号仅有0与1两个不同的状态 3 数字信号概述 模拟与数字信号的波形 连续变化的物理量 离散的数据量 数字信号 模拟信号 4 数字信号概述 模拟信号与数字信号比较 噪声或干扰 模拟信号波形 滤波器 混入噪声的信号波形 噪声或干扰 滤波器 限幅 数字脉冲信号波形 波形恶化 混入噪声的信号波形 5 波形良好 数字信号概述 1.数字音像技术的发展 激光唱机是数字音响产品之一。采用数字音像技术— —即取样、量化、编码等数字化技术，彻底解决了模拟音 像中存在的失真大、信噪比低、动态范围小的问题。 2.数字音像的优点 与模拟音像相比，数字音像具有保真度高、抗干扰能 力强、动态范围大，信噪比高、重放信号流畅稳定、无抖 晃、数字音像信号在加工处理、传输、存储、编辑过程中 灵活方便，稳定可靠等优点。 3.数字光盘存储技术 音响信号的记录方法主要有磁记录和光记录两大类。 6 数字信号概述 数字光盘存储 将一个模拟信号（音频、视频均可）用光记录 方式存储到光盘中，须经过信源编码、格式化编码、 信道编码/调制三部分加工处理后，才能通过写光 头记录在光盘中。 9 数字信号概述 数字音响的光盘存储系统 10 模拟信号数字化存储过程 模拟信号数字化处理 为使模拟的音频信号能够进行数字化处 理，在光盘刻录前，必须先把在时间和幅度 都是连续变化的模拟信号转换成数字信号， 这是由模／数(A／D)转换器来实现的。A／ D转换步骤为：采样、量化和编码。 11 模拟信号数字化存储过程 1．采样和量化 在时间轴上对模拟信号进行分段，取其分段点 的信号电平值，然后将此电平值变换成二进制数， 用0和1表示，在电路中用脉冲的有无表示，这就是 数字化。可见，在数字化中最关键的是分段信号电 平和对电平采用四舍五入法取整后再变换成二进制。 在数字处理技术中，这几种处理分别称为采样、量 化和编码。 12 模拟信号数字化存储过程 （1）采样 采样就是采集样本，在这里就是对模拟信号进 行分段，取分段点的信号电平值，这一系列的信号 电平值就是代表模拟信号的样本值。用这些离散的 样本值替换原来连续信号波形的操作称为采样。 13 模拟信号数字化存储过程 模拟信号量化前的取样过程 （ 振 幅 ） 模拟信号 取样过程 （时间） （时间） 取样间隔（周期） 14 模拟信号数字化存储过程 （2）量化 量化就是把采样的结果进行取整。 取整的方法是，采用四舍五入的量化法。 15 模拟信号数字化存储过程 模拟信号取样后的量化过程 振 幅 量 化 间 隔 15 14 13 12 11 10 9 8 量化过程 B A 0 16 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000 输出编码信号 1010.1100.1111.1101 1011.1001.0110.0011 0100.0110 模拟信号数字化存储过程 2．编码 编码就是将已量化(取整)的各电平值用 二进制数码表示的过程。编码后获得的一串 数字信号为010 010 101 110 110 100 100 101．……..，即将每个量化值的二进制码 按先后顺序连贯起来。 17 模拟信号数字化存储过程 18 模拟信号数字化存储过程 模拟信号的数字化过程 模拟信号 t 取样脉冲 19 模拟信号数字化存储过程 取样信号的量化 模拟信号的数字化过程 对量化的信号编码 5 4 3 2 1 ┅ 0101 ┅ 0100 ┅ 0011 ┅ 0010 ┅ 0001 完成脉冲数字化 0001 0011 0100 0101 010030001 20 t 模拟信号数字化存储过程 模拟与数字信号的变换电路 模拟信号 A/D变换 电路 D/A变换 电路 21 数字信号 模拟信号数字化存储过程 A/D转换与D/A变换 1．A/D变换 A/D变换就是模拟/数字变换。其作用是把 模拟信号变换成数字信号。 A/D变换时，先由采样保持电路把数值连 续的模拟信号变换成数值不连续的阶梯信号， 再由量化电路进行量化，转换成由0和1表示的 数字信号，完成模/数变换。 22 模拟信号数字化存储过程 模拟信号向数字信号转变 话筒 模拟 信号 LPF 取样 PCM 数字信号 CD光盘 23 保存 量化和 数字编码 模拟信号数字化存储过程 2．D/A变换 D/A变换是数字/模拟变换，其作用是把数 字信号变换成模拟信号，它是A/D变换的逆过 程。 D/A变换时，先由电子开关电路根据送来 的数字信号把各位对应的电压送到加法电路， 再由加法电路把数字信号转换成阶梯信号，最 后由低通滤波器进行平滑滤波，完成数/模变换。 24 模拟信号数字化存储过程 数字信号向模拟信号转变 话筒 模拟 信号 LPF 解码 输入 取样 模拟信号 PCM 数字信号 CD光盘 25 低通滤波 保存 (LPF) 量化和 数字编码 模拟信号数字化存储过程 数/模转换（DAC）类型 DAC是指将输入的数字信号转换为模拟 信号的过程，是模/数转换（ADC）的反变换。 DAC的类型： ①多位（多bit）DAC ② 1位（1 bit）DAC 26 模拟信号数字化存储过程 （1）多bit数/模变换器 多bit DAC的转换过程是：首先将相同宽 度和幅度的脉冲的有或无所表示的1或0的脉冲 序列（数字信号），变换成阶梯状的量化波形 信号，然后再用低通滤波器（LPF）将阶梯状 的量化波形信号的量化噪声去掉，以还原成原 模拟信号。 27 模拟信号数字化存储过程 （2）1 bit数/模转换器 1 bit DAC有脉冲宽度调制（PWM）方式 和脉冲密度调制（PDM）方式。 28 模拟信号数字化存储过程 ① PWM（Pulse Width Modulation） 1 bit DAC的脉冲宽度调制工作方式。 在这种工作方式中，数字信号不是被DAC变换 成阶梯信号，而是变换成脉冲，每个取样点的数据对应 一个脉冲信号，每个脉冲信号的大小和周期（频率）不 变，只有0和1这二个值的1 bit数据，而脉冲的宽度与取 样值的数据大小成正比，这种脉冲信号就是脉冲宽度调 制（PWM）信号。PWM信号再经过低通滤波器（LPF） 取出平均值后，就可将其还原成原来的模拟信号。 29 模拟信号数字化存储过程 ② PDM（Pulse Density Modulation） 1 bit DAC的脉冲密度调制工作方式。 它是将数字信号转换成一系列的点脉冲，数字信 号所代表的取样值的大小决定这些点脉冲的密度（频 率），即脉冲密度与取样值的数据大小成正比，而点 脉冲的幅度与脉宽不变，也仅有0和1这两个值的1 bit 数据。PDM信号仍使用低通滤波器取出平均值后将其 还原成模拟信号。 30 量 化 数 字 信 号 量 化 数 字 信 号 普 通 阶 梯 信 号 量 化 数 字 信 号 P W M LPF 模 拟 信 号 (a) 多bit D/A变换方式 多bit数/模变换器 P D M LPF 模 拟 信 号 LPF 模 拟 信 号 (b) 1 bit D/A变换方式（PWM) 脉冲宽度调制 (c) 1 bit D/A变换方式（PDM) 脉冲密度调制 数字信号的编码 PCM调制和EFM调制 1．PCM调制 音频信号在经过CIRC编码后，变成了以字节为 单元（8bit）的数字信号串，但这些由“0”和“1”组成 的数字信号仍不能直接用于传输或记录，必须将这些 “0”和“1”变换成对应的一连串等幅脉冲波形后，才 能进行记录或传输。这种把由“0”和“1”组成的二进 制码变换成对应脉冲波形的过程称为PCM调制，即脉 码调制。 32 数字信号的编码 2．EFM调制 所谓EFM（Eight to Fourteen Modulation）调制， 即8bit扩展到14bit调制。它是将8位数据变换为14位特 定的数据的一种技术。 33 数字信号的编码 （1）EFM调制的目的 在实际中，数据信息是由数字0和1的某种组合而成的，数 据码流信息连续为0或连续为1的情况是经常出现的。 当数字连续为1时可能会在CD机等数字音响设备的伺服电 路中被积分而产生变化的直流电平，从而引起伺服电路工作的 不稳定等问题； 当数字连续为0时可能会使内部解码电路中的压控振荡器工 作不稳定，不能正确恢复位时钟。 采用EFM调制技术可以将含有连续的0或连续的1的各种8bit 的数字信号变换为不存在连续的0或连续的1的14bit的数字信 号，从而较容易地从数据码流中分离出位时钟信号，并避免对 伺服系统产生干扰使伺服系统的工作稳定。 34 数字信号的编码 （2）EFM调制的方法 在EFM调制之前，首先将音频16位数码分成两个 8位的数码（高8位和低8位），然后再将这两个8位 数码分别通过EFM调制变换成特定的14位数码。 对这些特定的14 bit数码的要求： （1）没有两个连续的数字1出现； （2）两个数字1之间的0的个数最少为2个； （3）两个数字1之间的0的个数最多为10个。 另外，在每两个14 bit数码之间，再插入3个连接位。 35 EFM调制的部分数据对应表 序号 二进制数 8 bit EFM代码 14 bit 序号 二进制数 8 bit EFM代码 14 bit 0 00000000 01001000100000 150 10010110 00010010000001 1 00000001 10000100000000 151 10010111 00100010000001 2 00000010 10010000100000 152 10011000 01001000000001 3 00000011 10001000100000 153 10011001 10000010010000 4 00000100 01000100000000 154 10011010 10010000000001 100 01100100 01000100100010 251 11111011 10001000010010 101 01100101 00000000100010 252 11111100 01000000010010 102 01100110 01000000100100 253 11111101 00001000010010 113 01110001 10000010000010 254 11111110 00010000010010 114 01110010 10010010000010 255 11111111 00100000010010 数字信号的编码 （3）EFM的解调 EFM解调，它是EFM调制的逆过程。 其任务是将光盘上的特殊的14 bit 数码重新还原为原来的8 bit数码。 EFM解调过程： 只要经过EFM调制数据表的反变换，便可将每一个14 bit数 码重新转换成原来的8 bit数码。 例如：在EFM数据变换表中， 一个14 bit数码01 0010 0010 0000经EFM解调（即EFM反变 换）后就成为8 bit数码0000 0000； 而一个14 bit数码10 0001 0000 0000经EFM反变换后就成为 8 bit数码0000 0001。 39 纠错技术基础 1．误码的产生 数字信号在记录和重放过程中，一旦信号0和1丢 失或出错，则造成的结果是信号本身出现错误，导致 声音失真。光盘读取时数字信号出现错误是经常的 事，其原因主要有以下几个方面： （1）光盘的刻录和盘片的制作过程中产生误码。具体来说就是从刻 录到盘片压制成形过程中，如果沾上灰尘和受到损伤，或盘片上 的信号坑点成形不良混入气泡，或铝反射膜有孔洞等，重放时都 会使信号发生错误，产生误码。 （2）光盘在使用过程中被划伤或沾上指纹、油污、灰尘等，重放时 也会使信号发生差错。 （3）在重放过程中，由于伺服或同步信号混乱等原因而不能正确地 读取信号，也会使信号产生差错。 40 纠错技术基础 2．误码的检测与纠正 （1）纵横奇偶检验法——判别随机误码的位置 奇偶检验法的功能： 是用来检测与判别在串行的数据码流中的个别随机误码的位 置。 41 纠错技术基础 奇偶检验法的方法： 是将串行数据按组排列成行和列，然后在每一行和每一列数 据的最后插入检验位0或1，0和1的选择方法是使该行或该列（包 括该检验位在内）的全体码中的1的个数总是为偶数（或者为奇 数）。这样，当重放过程中若有误码产生，则该误码的相应行和 列的奇偶性将发生颠倒，由此便可确认该组数据中有无误码产生 和产生误码的位置。当误码位置确定后，纠错就很容易了，例如 某位数据出错，由1变为0，纠正时只要将该位的0重新变为1即 可。 另外规定：如果误码所在位置是在奇偶检验位上，则认为原字码 无错误。 42 二进制代码的奇偶检验举例 纠错技术基础 （2）交叉交织法 将连续的集中群误码变为个别的离散随机误码。 交叉交织法的功能：是用来将连续的集中群误码变为个别的 离散随机误码。 交叉交织法的基本方法： 是在信号记录时改变数字信号的顺序，重放时再通过重排来 恢复原来的顺序，前者称为交织，后者称为去交织。但这种改变 数字信号的顺序不是任意改变数字信号中的每一位数字，而是将 数字信号按时间顺序分成组，再使各个组延迟一定的时间，然后 调换顺序（即交织）重新组合，将这样处理后的数字信号记录在 光盘上。这样一来，重放时如果信号出现了连续误码（群误 码），但经去交织处理后，数字信号的排列顺序就还原了，同 时群误码也就被分散开了，群误码变成了离散的、个别的随机误 码，然后再利用奇偶检验法就容易纠错了。 44 交织法编码与解码举例 假设产生连续 4个字的误码 101 110 111 110 101 100 100 011 011 001 (a)原信号的码 位所对应的序列 010 010 001 000 000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0 3 6 9 12 1 4 7 10 13 2 5 8 11 14 (d)重放时产生群 误码(连续4个字) 去交织处理 0 3 6 9 12 1 4 7 10 13 2 5 8 11 14 (e)还原后的码序 列(误码已离散) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 (b)原码序列 交织处理 (c)交织后记录到 光盘上的数码序列 9 帧数字信号格式 （1）A/D变换。 通过采样保持和量化把模拟音频信号变换成16bit的数字音频信号。 （2）CIRC编码 ① 把每个16bit的信息码分为两个字，每个字为8bit。 ② 数据处理以帧为单位，每一帧中包括左声道和右声道各6个16bit的信 息码，分成24个8bit的音频字节。 ③ 上述24个字节经CIRC中的编码器交织后加上4个纠错字节变成28个字节。 ④ 上述28个字节再经编码器后，再加上4个纠错字节变成32个字节。 ⑤ 在32个字节的前端再加上一个控制字节，变成33个字节。 （3）EFM调制 把每一个8bit的字节变换成满足特定条件的14bit码，并加上3bit的连接位， 变成17bit的码。 （4）在33个17bit的码之前再加上一个（24+3）bit的同步码。 46 帧数字信号格式 一帧中的信息就包括了：24bit的同步信号， 1个字节的控制码（子码）、24字节的音频数据码、 8个字节的纠错码和各字节问3bit的结合码。每个 字 节 都 为 14bit ， 这 样 ， 一 帧 数 据 就 有 [33×(14+3)+(24+3)]bit=588bit，即一帧数据有 588位二进制数。除同步信号外，其余33个8bit字 节 需 要 EFM 变 换 。 帧 频 率 为 7.35kHz ， 帧 周 期 为 136Μs. 所 以 读 出 信 号 的 时 钟 频 率 为 7.35kHz×588=4.3218MHz。 帧数字信号格式 同步信号（24bit） 同步信号是一个定时信号，它确保读出的信号 的准确性。若无此信号，则读写的“1”或“0”的位 置发生错误，就会出现数据错误。 帧 同 步 信 号 采 用 111111111110000000000011 或 000000000001111111111100的形式，取二者一。 帧数字信号格式 结合码（3bit） 结合码是插入到信号中起连接作用。 控制信号（14bit） 控制信号（子码）紧接在同步信号之后，是配合随机 存取功能使用的。 帧数字信号格式 音频数据码 (1个样本14bit) 音频数据码每次取样时，CD标准规定，一个取样数 据是16位，16位的数据就被分成两个8位的字节，在传输 时把它分为高位和低位各8位，即两个字节，音频信号的L 和R声道的各6个取样数据合编为一组，称为数据帧。因 此,一个数据帧有6×2×2=24字节的音频数据。由于取样 频率是44.1kHz，所以,数据帧的重复频率为44.1kHz／ 6=7.35kHz。每个8位的字节还要转换成14位的信号，才能 用来往光盘上记录。这个把8位数据转换为14位的方法， 我们称之为EFM(Eight—to—Fourteen Modulation)，即8扩 展到14位调制。