有很多音响爱好者会提出这样一个问题:CD碟中的数字信号为44.1kHz取样,16bit量化,为什么较高档次的CD机使用高倍取样和高比特量化(1BIT机除外)呢?这里我们对这个问题作简要阐述。
大家知道,取样是以一定的时间间隔对连续的模拟信号抽取样点的过程。每个取样点之间有一定的时间间隔,其重复频率为取样频率fs。CD碟中的CD信号取样频率为44.1kHz,即为每秒取样44100次。而量化就是把取样点的测量值变更成数字信号,16bit就是每点的取样值可量化为216种不同的数值中的一种来表示,由于量化过程中采用了四舍五入的方法。这就导致了每个取样点的测量值都存在舍入误差,而且这种误差将始终存在。数字系统虽然没有因录放而产生的沙沙声,但却存在这种与模拟录放性质完全不同的误差噪声,我们称之为量化噪声或量化失真,这是一种高频噪声。
CD音响中,其44.1kHz取样信号波形的频谱如图1所示。为了让不属于原信号频谱范围的24.1kHz以上的频谱成分混入还原后的信号并且有效滤去量化噪声,则解调用的低通滤波器(LPF)应具有图1中虚线所示的滤波特性。为了获得如此滤波特性,必须用9~11级以上的模拟滤波器。但采用高阶模拟滤波器有以下缺点:
1、在高阶模拟滤波中,信号频率越高,延迟时间增加越多,滤波器阶数越高,延时效果越显著。这样,谐音相位比基音相位多延迟使波形恶化。高频端比低频端多延迟引起相位失真,从而导致音质恶化。
2、高阶模拟滤波器随温度变化会引起常数改变,从而使用阻断特性发生变化并使所用的运放产生噪声和失真。
为了降低模拟LPF的阶数,采用在D/A变换之前插入超取样数字滤波器的方法。超取样就是将原数字信号的取样频率提高若干倍,如2倍、4倍……等腰三角形。超取样可以将音频数字信号中由于取样而增加的频谱向高端移动若干倍(与超取样分门倍数相同),从而使原模拟信号频谱与所增加的频谱的分开,量化噪声的频谱也就同时向高端移动,从而降低对滤波器陡峭度的要求。一般来说2fs需5~7阶LPF,4fs需3~5阶LPF,8fs需2~3阶LPF,而16fs只需1~2阶LPF就可以获得较为满意的效果。
但是数字滤波器又为数/模变换系统带来了新的烦恼。这主要是由于数字信号在数字滤波器中要进行相乘加等运算,而伴随这种运算就必然产生误差。这种误差称为再量化噪声。这种再量化噪声相当于在原有量化哭声上再追加一种量化噪声,这样会恶化信噪比,所以采取了提高数字滤波器输出音频数据的比特数的办法。因为量化比特数越高,则量化等级越细,再量化噪声也越小,这样就进一步改善了音质。
LPF滤波特性
fs

0 20
24.3 44.1 64.1 f(kHz)
图1 44.1kHz取样信号波形的频谱分布
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