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1、2018/1/2,1,Audio performance introduction,Apr.2008,2018/1/2,2,Agenda,数字音频简介音频指标与相关影响因素声音品质,2018/1/2,3,音频的采集与数字化,现实世界中我们听到的声音都是模拟量，而把模拟音频转成数字音频的过程就称之为音频数字化，它主要包括：采样：在时间轴上对信号数字化；量化：在幅度轴上对信号数字化；编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据。 最后将通常的模拟音频信号的电信号转换成许多称作“比特（Bit）”的二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。我们把模拟信号数字化过程中造成的失真叫做量化失真。数字音频
2、它的特点是信号在传输的过程中不容易损失而且容易编辑。采样率简单地说就是通过波形采样的方法记录1秒钟长度的声音，需要多少个数据。 Ex：44.1KHz采样率的声音就是要花费44100个数据来描述1秒钟的声音波形。,2018/1/2,4,音频的采集与数字化,在数字音频领域，常用的采样率有： * 8,000 Hz - 电话所用采样率， 对于谈话交流已经足够； * 11,025 Hz - * 22,050 Hz - 无线电广播所用采样率； * 32,000 Hz - miniDV 数码视频 camcorder、DAT (LP mode)所用采样率； * 44,100 Hz - 音频 CD, 也常用于
3、MPEG-1 音频（VCD, SVCD, MP3）所用采样率； * 47,250 Hz - Nippon Columbia (Denon)开发的世界上第一个商用 PCM 录音机所用采样率； * 48,000 Hz - miniDV、数字电视、DVD、DAT、电影和专业音频所用的数字声音所用采样率； * 50,000 Hz - 二十世纪七十年代后期出现的 3M 和 Soundstream 开发的第一款商用数字录音机所用采样率； * 50,400 Hz - 三菱 X-80 数字录音机所用所用采样率； * 96,000 或者 192,000 Hz HDCD、 DVD-Audio、一些 LPCM DV
4、D 音轨、BD-ROM（蓝光光盘）音轨、和 HD-DVD （高清晰度 DVD）音轨所用所用采样率； * 2.8224 MHz - SACD、 索尼 和 飞利浦 联合开发的称为 Direct Stream Digital 的 1 位 sigma-delta modulation 过程所用采样率。,2018/1/2,5,音频的采集与数字化,CD的采样率为什么是44.1KHz?,根据奈魁斯特（NYQUIST）采样定理，用大于两倍一个正弦波的频率进行采样就能完全真实地还原该波形，因此一个数码录音波的采样频率直接关系到它的最高还原频率指标。 用44.1KHZ的采样频率进行采样，则可还原最高为22.05k
5、Hz的频率-这个值高于人耳的听觉极限（20000Hz）。,30*490*3=44100,2018/1/2,6,音频的采集与数字化,采样精度（采样分辨率）对于每个采样数据系统所分配的用来表达声波的声波振幅状态的存储位（bit）数；每增加一个bit，表达声波振幅的状态数就翻一翻。采样精度越高，声波的还原就越细腻。 Ex：16bit系统的采样精度代表可以用21665535种状态来记录每个采样点上声音的振幅。,2018/1/2,7,音频的采集与数字化,Ex：音频CD上的音乐是每秒44100次取样，两个声道，每个取样是16位PCM编码，所以音频CD的比特率是44,100*2*16=1411,200bps
6、，也就是说CD每秒的数据量大约是172.3KB，而一张标准音乐CDDA的容量是74分钟即4440秒，所以它的总数据量就是765012kB747MB。（而根据CD红皮书定义，CD每个扇区包括2352个字节。最多可以有345K个扇区。因此总的字节数为345k x 2352B=811440kB）,比特率是代表数字音频文件单位时间（1秒）内传送的比特数 bps（bit per second，位/秒）。比特率采样率x声道数x采样精度通常我们使用kbps（bps/1024）作为单位。 相同编码规则下，比特率越高代表数字音乐文件的保真度越高。,2018/1/2,8,音频的采集与数字化,在计算机应用中，能够达
7、到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。因此，PCM约定俗成了无损编码，这只是因为PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，并不意味着PCM就能够确保信号绝对保真，PCM也只能做到最大程度的无限接近。我们而习惯性的把MP3、WMA等其他音频编码列入有损音频编码范畴，都是相对PCM编码的。（量化失真）,编码：,简单的说：数字化后的音频数据如何组成数字音频文件就是编码。,采用有损音频编码的目的只有一个：减小音频文件大小。,MP3音频压缩技术是一种失真压缩，其原理是把声音频率中人耳几乎听不到的音域在音频中去除，采用高效率的变换编码音频
8、压缩算法对声音进行压缩，从而使得文件体积大为缩小，可达到121的压缩比。,2018/1/2,9,PMP产品中数字音频处理流程,解码：MP3播放器的主芯片（也叫解码芯片）内的DSP处理器通过大量的乘法和加法运算，将被压缩过的音频文件展开还原成尽可能接近于原始音频的数据。 EQ处理:音效处理就是在一些频段上进行提升或衰减，以满足不同用户的听觉感受。AUDIO DAC ：把解码出来的数字信号转换成为模拟的声音信号 。PA（Power amplify）：由音频功率放大器将DAC转换出来的小功率模拟信号放大到足够推动耳机或者喇叭的中/大功率信号。隔直/补偿线路：耳机/喇叭：,2018/1/2,10,Ag
9、enda,数字音频简介音频指标与相关影响因素声音品质,2018/1/2,11,数字音频指标测试的基本知识1什么是分贝？,形容声音大小的物理量：声音变化范围太大，用声压（Pa）表示起来太不方便：Ex：人耳能听到的最小声音20x106 Pa 航天飞机发动机10m外接受到的声音2x103 Pa人体对人类的听觉反应是基于声音的相对变化而非绝对的变化；声学领域中，分贝的定义是声源功率与基准声功率比值的对数乘以10的数值 dB10logPa/P0 。该标度以听觉阈，20 uPa 或20 x 10-6 Pa作为参考声压值P0，并定义此声压水平为0分贝(dB)。分贝dB （decibel Bell）1/10
10、Bell。,甚么是分贝？,分贝是一个相对量,2018/1/2,12,数字音频指标测试的基本知识1什么是分贝,通信系统传输单位： 在电信技术中一般都是选择某一特定的功率为基准，取另一个信号相对于这一基准的比值的对数来表示信号功率传输变化情况，经常是取以10为底的常用对数和以=2.718为底的自然对数来表示。其所取的相应单位分别为贝尔（B）和奈培（Np）。贝尔（B）和奈培（Np）都是没有量纲的对数计量单位。dB10logPm/P0=20logVm/V0=20logIm/I0,这个特定的功率基准P0就是取一毫瓦（mW）功率作为基准值，这里要特别强调的是：这一毫瓦基准值是在600欧姆（）的电阻上耗散一
11、毫瓦功率，此时电阻上的电压有效值为0.775伏(V)，所流过的电流为1.291毫安（mA）。,2018/1/2,13,数字音频指标测试的基本知识1什么是分贝,需要强调的是：电学上的参数除了dBm以外，其他的值要纳入dB系统都要考虑负载阻抗。,Ex：对于50ohm和600ohm的系统来说1V的电压意味着：,电压电平Lv,电流电平LI,2018/1/2,14,数字音频指标测试的基本知识20dB的确定,0dB音频信号从那里来？,1.对于模拟设备来说， 0dB标准信号，是指12dBu3.10Vrms（对应于PPM Peak Programme Meter电平表里的0dB输出,由德国工业标准DIN454
12、06制定），或者是4dBu1.228Vrms（对应VUVolume Unit电平表里的0dB输出，绝大部分国家采纳）。,2.而对于数字音频信号来说，有所谓0dB FS（满刻度分贝），为数字音频能表达的最高 峰值，与16bitPCM对应的最高峰值为7FFFh，最高负值为8000h 。（0dB FS只表示信 号幅度，与接口无关）,UV表,PPM表,2018/1/2,15,数字音频指标测试的基本知识20dB的确定,数字/模拟标准电平的转换,SMPTE Society of Motion Picture and Television Engineers 美国电影电视工程师学会AES/EBU Audio
13、 Engineering Society/European Broadcast Union 欧洲广播联盟,2018/1/2,16,数字音频指标测试的基本知识3,甚么是静态指标？甚么是动态指标？,静态指标是在稳定状态下以正弦波进行测量所得的数据，测试项目包括有频率响应、谐波失真、信噪比、互调失真以及阻尼系数等；动态指标是指用较复杂的如方波、窄脉冲等信号测量得到的数据，包括有相位失真、瞬态响应和瞬态互调失真等。,2018/1/2,17,数字音频指标,便携式数字音频播放器性能要求,摘自中国便携式数字音频播放器通用规范（送审稿）,2018/1/2,18,数字音频指标（一、二）输出电平、通道不平衡度,通
14、道不平衡度（Channel imbalance）：立体声通道平衡指的是左、右通道增益的差别，一般以左、右通道输出电平之间最大差值来表示。 如果不平衡过大，立体声声像位置将产生偏离。,将1kHz 0dB MP3 信号下载至本产品，并调音量至最大播放，记录音频分析仪上显示左右声道信号输出电平为本产品的最大输出电压UL、UR则：1kHz 的通道不平衡度 = 20 （UL/UR） 式中：UL：左声道信号输出电平；UR：右声道信号输出电平。,输出电平：设备所能输出最大功率状态下输出的正弦波的振幅有效值。,2018/1/2,19,数字音频指标（三）THDN,什么是“失真”？线型失真与非线型失真；,在电子学
15、上，我们是这么理解“失真”的：当一个信号经过一个电子系统后，叠加在原信号中所有与原信号无关的、由电子系统产生的新成分都是失真。,什么是“谐波失真”？（ Harmonic Distortion）指数字音频信号源通过解码、D/A转换和功率放大过程中由于解码算法以及转换、放大过程中由非线性模拟元件所导致输出信号比输入信号多出的额外谐波成分而带来的波形失真。,对于带有放大器的信号处理设备来说，“形状相似”，只要输入信号和设备的输出信号“形状相同”，就可以被认为“没有失真”。,线性元件与非线性元件如果元件参数是电压 u或电流i的函数(有时也可以是电荷q或磁链 的函数)，这样的元件叫做非线性元件;否则叫做
16、线性元件。时变元件与时不变元件如果元件参数是时间 t的函数，对应的元件叫做时变元件；否则叫做时不变元件。,2018/1/2,20,数字音频指标（三）THDN,总谐波失真是指在放大器的标称功率下设备说产生的失真的总和，也就是说，只有在限定了放大器的工作状况后，才可以谈总谐波失真的大小。,所有附加谐波电平之和称为总谐波失真（ Total Harmonic Distortion）,所有附加谐波电平之和再加上系统噪音称为总谐波失真加噪声（ THDN）。THD+N对于评估设备更为方便，因为设备输出中除了纯测量信号的任何成分都会使输出品质下降。低的THD+N测量结果不仅说明谐波失真低，而且也说明哼声、干扰信号以及宽带白噪声也是比比较低。所以THD+N比任何其他的失真测量技术更能说明问题，它只用一个数据就能说明设备是否存在大的问题。,
