详解音频信号量化
电子工程师小李2018-10-18 10:36
量化概念
从某种意义上讲，量化就是通过四舍五入的方法将采样后的模拟信号转换成一种数字信号的过程。从前面介绍的采样知识可知，模拟信号采样后的信号是一种阶梯信号，它虽然在时间轴上已经离散，但是这种阶梯信号的幅值仍然是连续的，若对这种信号用二进制数码进行精确表示，需要无穷多位的二进制码，所以要采用四舍五入的方法将每一个采样值归并到某一个临近的整数，这样就可以用一定字长的二进制码来表示采样值，这种取有限个数值近似地表示某一连续变化信号的过程称为量化。
为了进一步说明这种四舍五入方法，这里以3 位(3 bit)的二进制数码进行量化的过程为例，如图4-9所示。
图4-9中，输入信号是一个模拟信号，采样点为A～L，幅值范围为0～9，采样值、量化和编码的结果如表4-3所示。
从表4-3中可看出下列两点。
(1)对采样值进行四舍五入处理。例如，采样点A的采样值为1.4，根据四舍五入的原则取整数值1为量化值，同理采样点G采样值为2.8，取量化值为3。只有采用这种取整数值的方法，才能使用有限字长的二进制码来表示采样值。
(2)在采用这种四舍五入的方法量化后，对原信号产生了一定程度的误差值，当这种误差值小到一定程度时，人耳也不能加以辨别，这样对还原信号的听音不会产生过分的影响，是人耳听觉器官所能接受的。
重要提示
量化值的取整数为后面的编码提供了保证。用多少位的二进制数码来进行编码又决定了量化等级。如上面的举例是采用3位二进制数码，它只能对输入信号分成23(23=8)个整数量化值，若采用8位的二进制数码进行编码就能达到28(28=256)个整数值。显然，当采用的编码位数愈多时，量化值与采样值之间的误差就愈小。
量化器
图4-10是量化器特性示意图，图中虚线是线性输入/输出特性，实线是量化输入/输出特性。从图4-10中可看出，输入信号增大或减小，输出信号呈阶梯状变化，量化就是利用这种特性的电路实现的，具有这种特性的电路称为量化器。
图4-10中阶梯的高度称为量化阶梯高度。
均匀量化和非均匀量化
所谓均匀量化就是无论信号大小如何，都是用具有同样量化阶梯高度的方式进行量化。把根据信号大小具有不同量化阶梯高度的量化方式称为非均匀量化，非均匀量化的缺点是量化噪声随输入信号的大小而变化，重放时会出现噪声喘息现象，因而在音响领域现在都采用均匀量化方式。
量化噪声
从图4-10中可看出，输入量化器的输入信号是连续变化的信号，而从量化器输出的信号是阶梯状信号，用离散值表示连续值会造成误差，即量化后的输出信号与量化前的输入信号之间出现幅值上的误差，这一误差称为量化误差。由于量化误差对信号而言是一种噪声，所以量化误差又称为量化噪声。
量化数N和量化级数M
如果用一个N位的二进制数码来表示一个量化级，则它所能表达量化级的总数M=2N。式中的N称为量化数，又称为量化比特数;M称为量化级数。
如果一个信号的幅值在-V～+V范围内变化，对它的量化分M个级数，则就必须是N位的二进制数码。
重要提示
实验证明，要获得高保真的音响效果，量化数至少大于 14 bit，数字音频的量化数N为16 bit，此时音频信号从弱音到强音可分成65 536个量化级。换句话讲，就是数字音频中将模拟信号的最小信号到最大信号分成65 536个阶梯进行量化。
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