音频模拟数字转换解析_谈对奈奎斯特采样定理的疑问_严冬平VIP免费

9《音响技术》2011.2粗糙的，将采样精度提高到2bit再来看看会是什么情况。请看图2输入同样是6.3kHz的正弦波(曲线)使用48kHz取样频率进行模/数转换，2bit转换所记录的数字信号。可以看到采样每增加1bit，也就是采样精度增加一倍，幅值增加一倍即数据量增加一倍，记录信号的动态范围增加6dB。2bit转换精度的动态范围为12dB。这时A/D对信号的判定为4种状态，即0，1，2，3，后面括号中的的数据就是其二进制的表示方式。继续看看3bit的情况。图3输入同样是6.3kHz的正弦波(曲线)使用48kHz取样频率进行模/数转换，3bit转换所记录的数字信号。仍然可以看到采样每增加1bit，也就是采样精度增加一倍，幅值增加一倍，即数据量增加一倍，记录信号的动态范围增加6dB。7(111)G6(110)F5(101)E4(100)D3(011)C2(010)B1(001)A0(000)020.8341.6662.5083.33104.2125.0145.8166.7187.5208.3229.2250.0270.8291.7312.5/μst3(11)C2(10)B1(01)A0(00)020.8341.6662.5083.33104.2125.0145.8166.7187.5208.3229.2250.0270.8291.7312.5/μst图22bit转换(22=2×2=4)数字音响已经发展很多年了，其易于保存、方便操作的特性深受专业人员和音乐爱好者喜爱。随着人们对音响和音乐文化要求越来越高，人们对数字音响的要求也越来越高，在这里笔者使用图形的方式来解析音频模拟数字的转换。音乐信号模拟/数字转换主要掌握两个概念，一个是采样精度(采样比特率)，另一个是采样频率。1采样精度1.1原理分析图1是6.3kHz的正弦波(曲线)通过48kHz取样频率模/数转换器，1bit转换所记录的数字信号示意图。在理想情况下，当输入信号超过0和1的阈值(虚线A)时，DAC判断信号为有，记录为信号1，如图上灰色部分；当输入信号没有超过0和1的阈值时，DAC判断信号为无，记录为信号0，如图上白色部分。0和1之间的转换是跳跃的，以数字方式记录的音乐信号就是这样不断地跳跃。1bit转换精度动态范围为6dB。因为1bit转换精度很低，这样的数字记录无疑是很1A0020.8341.6662.5083.33104.2125.0145.8166.7187.5208.3229.2250.0270.8291.7312.5/μst[摘要]在明确了数字音频信号中采样精度、采样频率及奈奎斯特定理等基本概念的基础上，对业界争论的“CD格式采用44.1kHz/16bit记录格式是否足够使用”的问题进行了分析，并对奈奎斯特定理提出质疑。[关键词]采样精度采样频率采样定理奈奎斯特音频模拟数字转换解析——谈对奈奎斯特采样定理的疑问图11bit转换(21=2)图33bit转换(23=2×2×2=8)10《音响技术》2011.23bit转换精度的动态范围为18dB。这时A/D对信号的判定为8种状态，即0，1，2，3，4，5，6，7，后面括号中的数字是其二进制的表示方式。在图里使用黑色线逐个连接采样点可以形象地比较数字记录和模拟信号输入之间的异同。继续看看4bit的情况。图4输入同样是6.3kHz的正弦波(曲线)，使用48kHz取样频率进行模/数转换，4bit转换所记录的数字信号。4bit转换精度的动态范围为24dB。这时A/D对信号的判定为16种状态，即0~15，后面括号中的是其二进制的表示方式。图4下方的曲线是简易画法，本文后面将常常使用。同理，当转换精度提高达到CD格式的16bit时，A/D对信号的判定会达到65536种状态。转换精度提高达到24bit时，A/D对信号的判定会高达16777216种状态。比特数和判定状态关系列于表1。现在音响界常常争论的一个问题，CD格式的44.1kHz/16bit记录格式是否足够使用？争论的一方认为不够，另一方认为足够了，多了是浪费。网络上公说公有理，婆说婆有理地争论了很长时间。持CD96dB动态范围足够使用论观点的人主要基于两种思考，一是中间级设备本底噪音高，这个问题另文分析；二是听音声压小环境噪音高。这两者都会导致在实际使用中显不出高比特率大动态范围的好处来，以至于96dB动态范围已经足够用，争论还在继续。不过，在对比特率、动态范围有了基本的了解后可以自己来作这方面的理论分析。用前面提到的知识作一比较示意图，参见图5。由图5可见，动态范围144dB的24bit能比CD格式16bit的96dB大不少。图中使用小方块来表示数据量比值。在相同采样频率情况下，20bit的数据量是16bit的16倍，而24bit的数据量是16bit的256倍。图44bit转换24=2×2×2×2=1...