第六部分 数字音频格式和数字音频接口

第六部分   数字音频格式和数字音频接口

一、数字音频格式

1 PCM 格式及其分类

PCM 是未压缩( 无损) 的数字音频格式。其采样速率为可以为6811.0251622.053244.1486488.296192KHz, 采样精度可以为8121316, 20, 24 bits 。可以有18 个声道。最大比特速率为6.144 Mbps ,如果有5 个或更多声道, 这个最大速率就限制了采样率和比特位数。例如音频CD44.1 kHz/16 bits/ 双声道;DVD 不 仅能够播放2 声道的超高保真音响(192KHz/24bit/ 双 声道),还能播放线性PCM  最多6 个声道 的环绕声音响(96kHz/24bit/6 声道)。

PCM 格式又根据其量化方式可以分为线性PCMlinear PCM )和非线性PCM(non-linear PCM) ,前者是均匀量化得到的,后者是非均匀量化得到的。

Ø         均匀量化

如果采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化,那么这种量化称为均匀量化。均匀量化就是采用相同 的“等分尺”来度量采样得到的幅度,也称为线性量化,如图6 所示。

第六部分 数字音频格式和数字音频接口_第1张图片

 

6  均 匀量化

Ø         非均匀量化

非线性量化的基本想法是,对输入信号进行量化时,大的输入信号采用大的量化间隔,小的输入信号采用 小的量化间隔,如图7 所示。这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数来表示。声音数据还原 时,采用相同的规则。

在非线性量化中,采样输入信号幅度和量化输出数据之间定义了两种对应关系,一种称为u 律压扩(companding) 算法,另一种称为A 律压扩算法。

u (u-Law) 压扩(G.711) 主 要用在北美和日本等地区的数字电话通信中。它的输入和输出关系是对数关系,所以这种编码又称为对数PCMA(A-Law) 压扩(G.711) 主要用在欧洲和中国大陆等地区的数字电话通信中。A 律 压扩的前一部分是线性的,其余部分与u 律压扩相同。

对于采样频率为8 kHz ,样本精度为13 位、14 位 或者16 位的输入信号,使用u 律压扩编码或 者使用A 律压扩编码,经过PCM 编码器之后 每个样本的精度为8 位。

第六部分 数字音频格式和数字音频接口_第2张图片

8    非均匀量化

2 DSD 音频格式

PCM 脉码调制数字音频格式是70 年代末发展起来 的,记录媒体之一的CD80 年代初由飞利 浦和索尼公司共同推出。PCM 的音频格式也被DVD-A 所 采用,它支持立体声和5.1 环绕声,1999 年 由DVD 讨论会发布和推出的。

PCM 的比特率,从14-bit 发展到16-bit18-bit20-bit 直到24-bit ;采样频率从44.1kHz 发展到192kHz 。到目前为止PCM 这项技术可以改善和提高的方面则越来越来小。只是简单的增加PCM 比 特率和采样率,不能根本的改善它的根本问题。其原因是PCM 的主要问题在于: 1 )任何PCM 数字音频系统需要在其输入端设置急剧升 降的滤波器,仅让20 Hz - 22.05 kHz 的频率通过(高端22.05 kHz 是由于CD 44.1 kHz 的一半 频率而确定),这是一项非常困难的任务。2 )在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器(减低采样 率),在重放时采用多级的内插的数字滤波器(提高采样率),为了控制小信号在编码时的失真,两者又都需要加入重复定量噪声。这样就限制了PCM 技术在音频还原时的保真度。

为了全面改善PCM 数字音频技术,获得更 好的声音质量,就需要有新的技术来替换。近年来飞利浦和索尼公司再次联手,共同推出一种称为直接流数字编码技术DSD 的 格式, 其记录媒体为超级音频CDSACD ,支持立体声和5.1 环绕声。

DSD 音频格式简化了信号流程,去掉了PCM 使用的 多级滤波器,将模拟音频直接以2.8224MHz 的高采样频率,按1-bit 的数字脉冲来记录。虽然DSD 格式表示的声音 信号是数字化数据,但是它又与真正的声波非常接近,可完整的记录当今最佳模拟系统的信息。最好的30ips 半 英寸模拟录音机能记录的频率能超过50KHz ,而DSD 格 式的频率响应指标为从DC100KHz 。 能覆盖高级模拟调音台的动态范围,通过其音频频段的剩余噪声功率,保持在-120dBDSD 的频率响应和动态范围,是任何数字和模拟的录音系统无法与之比拟的。从声音的质量上来说, 数字音频技术是为了接近模拟声音的质量。DSD 音频 格式的发展将更有利的与模拟音频系统配合。

二、数字音频接口

常见的数字音频接口有I2S 接口、PCM 接口和SPDIF 接口。这里只作简要介绍。

Ø         I2S 接口:

只能传输单声道或双声道立体声的数字音频,数据格式为PCM 格 式。该接口又派生出三类:左对齐格式、右对齐格式、I2S 格式。 I2S 时差性能要优于 SPDIF ,适合短距离通讯。

Ø         PCM 接口:

也叫DSP 模式音频接口。一般用来传输单声道 或双声道立体声的数字音频,但是理论上也可以传输多声道的数字音频。数据格式为PCM 格式。

Ø         SPDIF 接口:

SPDIF (Sony Phillips Digital Interface) SONY PHILIPS 数 字音频接口。 它的传输载体有同轴 和光纤两种,后者抗干扰能力更强。SPDIF 能传输PCM 流, 也能传输杜比数字(Dolby Digital )、DTS 这 类环绕声压缩音频信号。PCM 流是原始、未经压缩的音频信号,杜比数字、DTS 也是来源于PCM 流。

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