解决数字音频信号传输中劣化方法

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1 数字音频信号劣化的原因

    在数字音频设备间传输数字音频信号及制作节目时，由于不同的设备，数字音频信号的量化精度有所不同，比如一级数字设备的量化精度为24 bit，二级数字设备的量化精度为16 bit，当数字音频信号从一级设备传输到二级设备时，数字音频信号的量化精度从24 bit截成了16 bit。在没有加入抖动信号时，信号由24 bit转变为16 bit的过程是将原24 bit信号中的后8 bit位直接截除。图l为一个24 bit、100 Hz正弦波形及其频谱图，图2为将24 bit、100 Hz的正弦波截除后8 bit后，成为16 bit、100 Hz的波形及其频谱图。

    从图1和图2中可以看到，转换后的16 bit、100 Hz正弦波，实际上成了矩形波。对两种波形进行频谱分析，图1与图2相比较，图2中的底噪电平比图l中的底噪电平提升了大约48 dB，这主要是由于24 bit量化精度的动态范围是144 dB．而16 bit量化精度的动态范围是96 dB，两者相差48 dB;并且在图2中，100 Hz的各个谐波的电平有了很大提高，这说明在图2中的谐波失真要比图2中的谐波失真大了很多。正是由于在量化深度变小时，数字音频信号的底噪声电平和谐波失真的大幅提高，必然会导致从二级设备输出的数字音频信号的听觉质量严重下降。

2 解决劣化的方式

    为解决数字音频信号在传输过程中劣化的问题，在数字音频处理设备中加入了抖动的概念。所谓抖动(dither)就是在信号中加入随机噪声信号来打破如图2中的矩形波波形。以24 bit、100 Hz的正弦波为例，要在这个信号中加入9 bit的随机噪声信号，那么随机噪声信号怎么获取，并如何加入到24 bit.  100 Hz的正弦波信号中呢？

    要获取一个9 bit长的随机噪声信号，这也就意味着要在_256_+256(29=512)的区间内随机选择一串数据，这种随机选取数据的机制可以遵循多种概率分布规则，现在普遍遵循的概率分布规则是TPDF(Triangular Probability Density Function).这种概率密度分布的特点是，随机噪声信号中的数据大部分数值位于-256-+ 256区间的中部，小部分数值位于-256-+256区间的两端。图3是一个遵循TPDF概率分布的随机噪声信号的波形图和频谱图。

    获取了随机噪声信号之后就要将其加入到24 bit、100 Hz的正弦信号中。一般来讲，加入的方法很简单，通过

DSP

的处理，把24 bit、100 Hz的正弦信号中的后9 bit位置换成9bit长度的随机噪声信号，把这个过程称为加入抖动(dither)。图4就是加入抖动后的24 bit、100Hz的正弦波信号波形图，图5是截除了后8 bit后所得16 bit、100 Hz的正弦波形图及其频谱图。

    对图5(b)中加入抖动信号的频谱与图2(b)未加入抖动信号的频谱进行对照发现，两个频谱图中的主频信号幅值没有变化，图5中各个谐波的幅值要比图2中各个谐波的幅值小，但图5中信号的底噪声电平要比图2中信号的底噪电平有明显提高。这说明图5中信号的谐波失真要比图2中信号的谐波失真小。在底噪声电平一定低的情况下，图5中信号的听觉效果要优于图2中信号的听觉效果。所以说，通过加入抖动(dither)信号的方式，牺牲了一些底噪声电平低的优点，而获取了更好的谐波失真，即更好的听觉效果。