音频信号的特点：分析与解读

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在电子设备中，模拟信号经种种处理和变换，往往会受到噪声和失真的影响。数字信号的另一个优点是经过处理、变换或传输后，干扰杂波不会积累。处理数字信号的电路具有一致性好、互换性强、稳定性高的特点，便于大规模集成化生产。

音频信号是指带有语音、音乐和音效的信号。音频信号的频率和幅度与声音的音调和强弱相对应。声音的三个要素是音调、音强和音色。

在电子产品中，音频信号分为模拟音频信号和数字音频信号两种。

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电子产品中常见的模拟音频信号和数字音频信号波形如图6-7所示。

图6-7 模拟音频信号和数字音频信号波形图

1.模拟音频信号的特点

模拟信号在时间轴上是连续的信号，可以用它的某些参数去模拟连续变化的物理量，或是该物理量的数值大小。比如我们面对话筒演唱或讲话时，声波会使话筒的声膜振动。在动圈式话筒中，声膜与处于磁场中的线圈连在一起，声膜振动时线圈也会随之振动。根据电磁感应原理，线圈在磁场中振动时会产生感应电流，这就将声音的波动转变成了电信号。音频信号往往是由多个正弦信号合成的。

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话筒的结构功能及原理如图6-8所示。

图6-8 话筒的功能及原理

话筒中感应电流的变化频率和幅度与声音的频率和强弱相对应，话筒输出的这种电信号就是模拟音频信号。

用信号的幅度值模拟音量的高低，音量高，信号的幅度值就大。用信号的频率模拟音调的高低，音调高，信号的频率就高。

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音乐信号中包含了不同幅度和频率的正弦信号，其波形如图6-9所示。

图6-9 模拟音频信号的波形（音乐信号）

模拟信号具有直观、形象的特点，但是模拟信号精度低，表示的范围小，且容易受到干扰。如果模拟信号受到干扰信号的侵扰，信号就会变形，就不能准确地反映原信号的内容。在电子设备中，模拟信号经种种处理和变换，往往会受到噪声和失真的影响。在电路中，从输入端到输出端，尽管信号的形状大体没有变化，但信号的信噪比和失真度可能已经大大变差了。在模拟设备中，这种信号的劣化是无法避免的。

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模拟音频信号传输（广播）方式如图6-10所示。

图6-10 模拟音频信号传输（广播）方式

模拟信号经传输后会受到噪声和干扰的影响，使接收的信号中混入噪声和干扰信号，这种情况采取一些技术措施（滤波、限波）也不能消除噪声的影响。

2.数字音频信号的特点

为了克服上述模拟信号的缺点，可将模拟信号转换成数字信号，并以数字的形式进行处理、传输或存储等。数字信号的特点是代表信息的物理量以一系列数据组的形式来表示，它在时间轴上是不连续的。以一定的时间间隔对模拟信号取样，再将取样值用数字组来表示。可见数字信号在时间轴上是离散的，表示幅度值的数字量也是离散的，因为幅度值是由有限个状态数来表示的。

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模拟信号的数字化过程如图6-11所示。

模拟信号的数字化过程就是取样、量化和编码的过程。图6-11所示为一个模拟信号变换为用4位二进制数表示的一组取样脉冲的数字化过程。显然，取样点越多，量化层越细，就越能逼真地表示模拟信号。从原理上讲，一个信号的数字化必须遵循取样定理，这就要求取样频率必须大于所要处理信号中最高频率的两倍，才能将数字信号还原为不失真的模拟信号，否则有部分信号将不能恢复，并会产生频谱混叠现象。

通过取样，模拟信号变成为一个离散的脉冲信号，然后再进行量化。量化数就意味着对一个最大幅值为固定的信号的分层数，若分层数较少，则会有较大的量化噪声。在VCD/DVD机中，量化数量用二进制数，也就是0和1的脉冲表示。而用二进制数所能代表的实际量化电平的多少，是由二进制的bit（位）数来决定的，并等于2的幂。例如，8位二位制数所能表示的量化电平为2⁸=256。量化数实际上是A-D变换时的分辨率。

数字信号只有两种状态，即0或1，这样单个信号本身的可靠性大为改善，而多个信号的组合数又几乎不受限制。这样依靠彼此离散的多位二进制信号的组合就可以表示复杂的信息，它又有脉冲型数字信号和电平型数字信号两种形式。

图6-11 模拟信号的数字化过程

脉冲型数字信号是一种随时间分布的不连续的呈脉动形状的信号，可以用脉冲的有无区分为0或1，如果脉冲为1，则无脉冲为0，这种信号用电路处理比较容易。如果用十进制信号1～10，则需要10种信号状态，用电路则很难处理。

电平型数字信号是一种维持时间相对较长的信号，一般定义高电平表示1，低电平表示0，对同一系统而言，电压持续时间较长的为电平信号，而维持时间相对较短的为脉冲信号。不论多复杂的模拟信号都可以由一组一组简单的脉冲信号来表示。

数字脉冲信号具有较强的抗干扰能力，即使信号受到一定程度的干扰，只要我们可以区分出信号电平的高低或是脉冲信号的有无，就能正确地识别所表示的数字1或数字0，甚至较大的噪声和干扰也不会有任何影响。这是因为数字脉冲只有0和1这两个值，振幅性的干扰可以通过限幅加以消除。

数字信号的另一个优点是经过处理、变换或传输后，干扰杂波不会积累。处理数字信号的电路具有一致性好、互换性强、稳定性高的特点，便于大规模集成化生产。数字信号的波形简单，物理上容易实现，因而它也便于存储、延迟和变换。通过改变存储器的读出顺序，又可以在空间坐标轴上对数字信号实现各种空间变换。

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数字信号的传输（广播）方式如图6-12所示。

图6-12 数字信号传输（广播）方式

数字信号在传输过程中同样会受到噪声和干扰的影响。由于数字信号传输的是脉冲信号，脉冲信号经限幅处理后可以消除幅度噪声和干扰的影响，因而，采用数字信号的方式可以消除波形恶化的问题。

3.音频信号的相关电路与应用

音频信号的应用十分广泛，几乎所有能发声的设备，如电声、电视等影音类家电产品中都存在音频信号，其中主要的相关电路包括音频信号输入接口部分、音频信号切换电路、音频信号处理电路和音频信号功率放大器等。

例如，我们欣赏电视节目时，就是电视机将接收的电台信号，还原为声音信号的过程，那么该音频信号就始终贯穿在“处理”的过程中，如接收并输出音频信号的电路（调谐器）、音频信号处理电路、音频信号功率放大电路等。

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彩色电视机中与音频信号相关的电路及对应的音频信号波形如图6-13所示。

当一个电声产品出现无声的故障时，通过检测与音频相关的电路模块中输入与输出的音频信号即可以判断电路故障的具体部位。

音频信号的特点：分析与解读

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