数字音频系统汇编

数字音频系统 恒诚FAE王帅 V1.1 综述 1，Audio（音频） 2，MIC（麦，Microphone，麦克风） 3，ADC（模拟数字转换器） 4，DSP（数字信号处理器） 5，Codec（编解码器）=Coder（编码器）+ Decoder（解码器） 6，DAC （数字模拟转换器） 7，Power Amplifier（功放，功率放大器） 8，Speaker（Loudspeaker扬声器、喇叭） 9，Headphone（Earphone；Earpiece；Headset，耳机） 10，I2S总线 11，SPDIF索尼飞利浦数字接口 12，DSD直接比特流数字编码 13， Hi-Fi和Hi-End 综述 1，Audio音频 1，Audio音频 1，Audio音频 1，Audio音频 1，Audio音频 声音是一种压力波、机械波。声音作为波的 一种，频率和振幅就成了描述波的重要属性 ，发声体振动频率与我们通常所说的音高对 应，即音调（高音低音），而发声体振动的 振幅影响声音的大小，即响度（音量、声强 ）。声音可以被分解为不同频率不同强度正 弦波的叠加，不同的发声体由于材料、结构 不同，这种不同的叠加就产生不同的波形， 发出声音的音色（音品）也就不同。 音调，响度，音色是声音的三个主要特征。 1，Audio音频 人耳所能听到的声音频率是从20Hz20KHZ。 高于这个范围的波动称为超声波，低于这一 范围的称为次声波。频率越高音调越高。 振幅的绝对大小是没有意义的，因为它可以 用放大器放大，相对大小影响响度。振幅的 相对大小越大响度越大。 音色，在中国的辞典里称作“音品”或“音 质”，即某种人声（如男高音、女高音）或 某种乐器特有的声音种类。我们主要就是通 过音色来区分不同的发声体。 2，MIC（麦，Microphone，麦克风 ） 麦（克风），又称话筒、传声器，是声电 转换的换能器，通过声波作用到电声元件 上产生电压，再转为电能，是一种拾音装 置。 目前常见的有动圈传声器、电容传声器、 驻极体（电容）传声器、硅微麦克风（硅 麦）。 2，MIC（麦，Microphone，麦克风 ） 动圈传声器的特点是结构简 单，价格低廉，也比较坚固 ，因而有较长的寿命，因此 它被广泛地应用到了各种大 众录音场合。但是它也有灵 敏度低、频率响应不够宽等 缺点，（最佳状态为40Hz 16kHz），所以很难用动圈 麦克风多用来录制一些频率 宽、动态大、泛音成分多的 声源，如管弦乐队合奏。 2，MIC（麦，Microphone，麦克风 ） 电容传声器相对动圈式 传声器，电容传声器的 灵敏度要高很多，频响 也够宽，可以满足绝大 多数专业录音的要求， 而它的缺点也十分明显 ，就是对环境噪声过于 敏感，振膜脆弱，寿命 短，不是很适合室外录 音。 2，MIC（麦，Microphone，麦克风 ） 驻极体（电容）传声器体 积小巧，成本低廉，在电 话、手机等设备中广泛使 用。 硅麦与传统驻极体麦克风 “声电” 转换的工作方 式一样，只是制作工艺不 同。硅麦基于CMOS MEMS 技术，体积更小（如图大 小是4*4*1mm）。其一致 性将比驻极体电容器麦克 风的一致性好4倍以上。 2，MIC（麦，Microphone，麦克风 ） 工作原理： 外力引起振膜 的机械振动 膜片和背极（驻极体 ）间距的改变引起容 值的变化 容值的变化导致 交变电压的变化 经过FET场效 应管信号放大 MIC输出信 号到ADC 3，ADC（模拟数字转换器） 把模拟信号变成数字信号主要经过三个步骤：采 样、量化、编码。 ADC，Analog-to-Digital Converter的缩写，指模/数转 换器或者模拟/数字转换器，是指将连续变量的模拟 信号转换为离散的数字信号的器件。ADC的重要参数 有：采样率、采样精度、信噪比。 F_S，采样率（sampling rate）或采样频率（sampling frequency、 frequency of sampling ），也称为采样速 度，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号 的采样个数，单位用赫兹（Hz）来表示。采样率越 高越能完整地保留原始信号中的信息。采样率的倒 数就是隔多长时间采样一个点。 3，ADC（模拟数字转换器） 采样定理又称奈奎斯特定理，在进行模拟/数字信 号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率 的2倍时，采样之后的数字信号就可以完整地保留 了原始信号中的信息。换句话说，要使实信号采样 后能够不失真还原，采样频率必须大于信号最高频 率的两倍。CD的标准采样率是44.1KHz。 3，ADC（模拟数字转换器） 采样精度（ Sampling Accuracy ）、解析度（ Resolution ）决定了记录声音的动态范围（ 6dB*N），它反映度量声音波形幅度的精度。 它以位(Bit)为单位，比如8位、16位。8位可以 把声波分成256级，16位可以把同样的波分成 65,536级，也就是测得的声音样本值是在0 65535的范围里。 样本位数的大小影响到声音的质量，位数越多 ，声音的保真度越高，而需要的存储空间也越 多； CD的标准采样精度是16Bit。 3，ADC（模拟数字转换器） 4， DSP（数字信号处理器） DSP（digital signal processor数字信号处理器） 是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理 大量信息的器件。其实时运行速度可达每秒数 以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理 器。它的强大数据处理能力和高运行速度，是 最值得称道的两大特色。通用微处理器成本低 ，能很好执行智能定向控制任务，但是数字信 号处理功能很差。而DSP的功能正好与之相 反。 音频系统中Codec（编解码器）、数字效果 器、EQ（均衡器）、3D环绕等经常用DSP处 理。 4， DSP（数字信号处理器） DSP系统构成： 5， Codec（编解码器） 编码器（Coder、Encoder）是将信号（如比特流）或数据进行 编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备或软 件。 解码器（Decoder），一种将信息从编码的形式恢复到其原来形 式的设备或软件。Windows media player、千千静听、QQ播放 器、酷狗、酷我等这些音乐播放器里面就集成了（软件）解码 器。电脑版的音乐播放器一般都可以解32bit的音频文件，手机 版的基本都不行，天天动听和Neutron Music Player（中子播放 器）可以。 编码，就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化 值。解码与之相反。编解码器通常用DSP（数字信号处理器） 实现。编解码器有时也指具有编解码功能的软件。 编码分为无损编码和有损编码。无损编码：PCM（CD、WAV ）、APE、FLAC等。有损编码：MP3、WMA等。 5， Codec（编解码器） PCM（Pulse Code Modulation）脉冲编码调制，在计算机应用中 ，能够达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。PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，因此，PCM约定 俗成了无损编码。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。我们把MP3列入有损音 频编码范畴，是相对PCM编码的。 DSD（Direct Stream Digital）直接比特流数字编码，是SACD的编 码模式。它是Sony与Philips在1996年宣布共同发展的高解析数 字音响规格。用1bit比特流的方式取样，采样率2.4MHz（CD 44.1kHz取样的64倍）的高取样方式，直接把模拟音乐讯号波形 以脉冲方式转变为数字讯号，以将近四倍于CD的空间储存音乐 ，因此可以提供更为优秀的声音效果，由于取样次数高，所以 取样过的波形很圆顺，比较接近原来的模拟波形。 5， Codec（编解码器） CD，CDDA（Compact Disc-Digital Audio）激 光数字唱盘。 5， Codec（编解码器） 5， Codec（编解码器） WAV为微软公司开发的一种声音文件格式，就 是声音的波形文件，几乎不需要解码就可以直 接播放。它符合RIFF(Resource Interchange File Format)文件规范，用于保存Windows平台的音 频信息资源，被Windows平台及其应用程序所 广泛支持。 WAV对音频流的编码没有硬性规 定，除了PCM之外，还有几乎所有支持ACM规 范的编码都可以为WAV的音频流进行编码。标 准格式化的WAV文件和CD格式一样，也是 44.1K的取样频率，16位量化数字，因此在声 音文件质量和CD相差无几！ 5， Codec（编解码器） APE和FLAC都是无损压缩格式，解压缩还原 以后得到的WAV文件可以做到与压缩前的 源文件完全一致。与WinZip或WinRAR这类 专业数据压缩软件压缩原理类似。 对比： 解码速度：WAVFLACAPE。 所占空间： WAVFLACAPE 。 5， Codec（编解码器） 比特率（Bit Rate）、码率、位率、位速、速 率、码流（Data Rate） ，表示经过编码（压缩 ）后的音频数据每秒钟需要用多少个比特来表 示。单位为 bps。同一种编码格式，比特率越 高，音频的质量就越好，但编码后的文件就越 大。 文件大小=比特率*播放时间。 PCM编码的比特率=采样率*采样位数*声道 数。 CD的比特率=44.1KHz*16bit*2=1.4112Mbps。 5， Codec（编解码器） VBR（Variable Bitrate）动态比特率，压缩软件在压缩时 根据音频数据即时确定使用什么比特率，这是以质量为 前提兼顾文件大小的方式，推荐编码模式。 ABR（Average Bitrate）平均比特率，是VBR的一种插值 参数。LAME编码器针对CBR不佳的文件体积比和VBR生 成文件大小不定的特点独创了这种编码模式。ABR在指 定的文件大小内，以每50帧（30帧约1秒）为一段，低频 和不敏感频率使用相对低的流量，高频和大动态表现时 使用高流量，可以做为VBR和CBR的一种折衷选择。 CBR（Constant Bitrate）常数比特率。指文件从头到尾都 是一种比特率。相对于VBR和ABR来讲，它压缩出来的文 件体积很大，而且音质相对于VBR和ABR不会有明显的提 高。 5， Codec（编解码器） MP3（MPEG-1 Layer 3）。 MPEG（Moving Pictures Experts Group）动态图像专家组，专门 负责为CD建立视频和音频标准， MPEG标准主 要有以下五个，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、 MPEG-7及MPEG-21。MP3是一种音频压缩技术 ，运用心理声学丢弃掉PCM音频数据中对人类 听觉不重要的数据，将音乐以1:10 甚至 1:12 的压缩率压缩成容量较小的文件。 允许使用的码率：32、40、48、56、64、80、 96、112、128、160、192、224、256和320 kbps。 5， Codec（编解码器） WMA的全称是Windows Media Audio，它是微软公司推出 的与MP3格式齐名的一种新的音频格式。由于WMA在压 缩比和音质方面都超过了MP3，更是远胜于 RA(RealAudio)，在较低的采样频率下也能产生较好的音 质，再加上WMA有微软的Windows MediaPlayer做其强大 的后盾，所以一经推出就赢得一片喝彩。当Bit rate小于 128K时，WMA几乎在同级别的所有有损编码格式中表现 得最出色，但似乎128k是WMA一个槛，当Bit rate再往上 提升时