一文詳解音頻信號(hào)采樣和保持

模擬信號(hào)的波形可以看作一個(gè)無限連續(xù)的點(diǎn)組成，受采集設(shè)備、存儲(chǔ)空間的影響，無法完整的復(fù)刻出模擬信號(hào)。需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，就是在時(shí)間軸上的抽樣;采樣率就是每秒采集的樣本數(shù)量;從理論上來說采樣率越高就越能保存最真實(shí)的聲音。隨之帶來的數(shù)據(jù)量就越大。根據(jù)奈奎斯特–香農(nóng)采樣定理，只有當(dāng)采樣率高于聲音信號(hào)最高頻率的2倍時(shí)，才能把采集的聲音信號(hào)唯一地還原成原來的聲音;因此要按比聲音最高頻率高2倍以上的頻率對(duì)聲音進(jìn)行采樣。

音頻信號(hào)采樣將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)的大小(振幅)，按一定的時(shí)間間隔采集樣值，這樣形成在時(shí)間上不連續(xù)的脈沖序列，這一操作稱為采樣。圖4-5是采樣過程示意圖。

圖4-5 采樣過程示意圖

關(guān)于音頻信號(hào)采樣要說明下列幾點(diǎn)。

(1)從圖4-5中可看出，在tA時(shí)刻，模擬信號(hào)在圖中的A點(diǎn)，此時(shí)的幅度是5，采樣的作用就是要在tA時(shí)刻測(cè)出信號(hào)幅度為5。同樣的道理，在tB時(shí)刻得到的采樣值是模擬量的7。每一個(gè)采樣點(diǎn)，都可以得到一個(gè)與該時(shí)刻信號(hào)振幅對(duì)應(yīng)的樣本，這一對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度值稱為本值或采樣值。通過采樣已經(jīng)將在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)變成了一列的樣本值，注意這一樣本值還不屬于數(shù)字信號(hào)的范疇，因?yàn)樗€不符合數(shù)字信號(hào)的定義。

(2)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)的采樣是不斷進(jìn)行的，相鄰兩個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是相同的。采樣點(diǎn)選取應(yīng)有一定的規(guī)律，每隔一段時(shí)間就進(jìn)行一次采樣，單位時(shí)間對(duì)模擬信號(hào)的采樣次數(shù)稱為采樣頻率。

(3)采樣頻率的選擇要科學(xué)，香農(nóng)采樣定理可以解決這一問題。該定理說，如果將隨時(shí)間變化的信號(hào)波形用該信號(hào)所含最高頻率信號(hào)的2倍的頻率進(jìn)行采樣，就可以通過稱為插補(bǔ)的方法，正確地將原采樣值還原成原來的信號(hào)波形。

重要提示

在音頻系統(tǒng)的兩頭是模擬電路(或稱為模擬器件)，對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理只是為了傳輸、記錄和信號(hào)處理的方便，最終數(shù)字信號(hào)必須還原成模擬信號(hào)，所以對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字化處理必須考慮數(shù)字化的信號(hào)還要還原這一點(diǎn)。香農(nóng)采樣定理從采樣頻率這一角度上講述了還原成模擬信號(hào)對(duì)采樣頻率的要求。

(4)所謂插補(bǔ)又稱為內(nèi)插，它是采樣的反過程，就是將一列樣本值之間的空隙補(bǔ)上，使之恢復(fù)原來的波形特征。

音頻信號(hào)采樣保持電路采樣保持電路用于對(duì)模擬信號(hào)采集樣本值，圖4-6所示是音頻信號(hào)采樣保持原理電路圖。電路中，輸入信號(hào)Ui是模擬信號(hào)，其輸出信號(hào)是一種階梯信號(hào)，注意它還不是數(shù)字信號(hào)，只有對(duì)這種階梯信號(hào)進(jìn)行量化處理后其才能成為數(shù)字信號(hào)。

圖4-6 音頻信號(hào)采樣保持電路

從圖4-6中可看出，采樣保持電路主要由輸入緩沖放大器電路、模擬開關(guān)電路、采樣保持電容和輸出緩沖放大器電路組成。

(1)輸入緩沖放大器。這一放大器用來將輸入信號(hào)源與采樣保持電路之間進(jìn)行隔離，以防止輸入信號(hào)源電路對(duì)采樣保持電路正常工作的影響。

輸入緩沖放大器的輸出信號(hào)加到模擬開關(guān)的輸入端。

(2)模擬開關(guān)。所謂模擬開關(guān)就是采樣開關(guān)，在開關(guān)接通這一時(shí)刻將輸入信號(hào)加到采樣保持電容上，由于采樣開關(guān)的速度很快，即接通后立即斷開，這樣在開關(guān)接通時(shí)刻的輸入信號(hào)幅度的大小就是該時(shí)刻電容C1上充電電壓的大小，這就是該時(shí)刻對(duì)輸入模擬信號(hào)的采樣值。

重要提示

采樣開關(guān)受一個(gè)專門的脈沖開關(guān)控制信號(hào)的控制，在開關(guān)脈沖出現(xiàn)時(shí)模擬開關(guān)接通，在開關(guān)脈沖消失時(shí)模擬開關(guān)斷開，該開關(guān)斷開后等待下一次的脈沖開關(guān)信號(hào)的出現(xiàn)，然后進(jìn)行第二次采樣。

模擬開關(guān)每秒鐘接通的次數(shù)就是采樣頻率，接通的時(shí)間就是采樣時(shí)間。如音樂信號(hào)采樣頻率為44.1 kHz，采樣時(shí)間一般小于25 μs。

(3)保持電路。保持電路由采樣保持電容和輸出緩沖放大器構(gòu)成。為便于量化處理，將模擬開關(guān)采集到的樣本電平值送到采樣保持電容，通過采樣保持電容保持采樣得到的電平值，這一電平經(jīng)輸出緩沖放大器放大后輸出。

當(dāng)下一個(gè)采樣值送到采樣保持電容上，采樣保持電容和輸出緩沖放大器又保持和輸出最新的采樣電平值。

采樣保持電路的輸出信號(hào)波形如圖4-7所示。

從圖4-7中可看出，模擬信號(hào)經(jīng)過采樣保持電路處理后變成了一種階梯信號(hào)，該階梯信號(hào)在時(shí)間軸上仍然是連續(xù)的，所以它還是一種模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào)，這一階梯信號(hào)要經(jīng)過量化、編碼處理后才能變成數(shù)字信號(hào)。

圖4-7 采樣保持電路的輸出信號(hào)波形

負(fù)半周信號(hào)的采樣和保持上面介紹了正半周信號(hào)的采樣和保持過程，對(duì)于負(fù)半周信號(hào)的采樣和保持工作過程同正半周一樣，圖4-8所示可以說明這一點(diǎn)。圖4-8中，Ui為一個(gè)具有正、負(fù)半周的輸入模擬信號(hào)，Uo是經(jīng)過采樣保持電路后的輸出信號(hào)， fs是采樣脈沖。從圖4-8中可看出，負(fù)半周信號(hào)經(jīng)過采樣保持電路后輸出的是負(fù)階梯信號(hào)。

圖4-8 負(fù)半周信號(hào)的采樣保持示意圖

重要提示

采樣保持電路輸出的正、負(fù)半周階梯信號(hào)從幅值上講采樣過程是相同的，但在后面的量化、編碼時(shí)，要將正、負(fù)半周信號(hào)區(qū)分出來，即會(huì)出現(xiàn)表示負(fù)數(shù)的二進(jìn)制編碼方法。

采樣頻率、采樣時(shí)間和保持時(shí)間(1)采樣頻率。采樣頻率是指模擬開關(guān)的工作頻率，即該開關(guān)單位時(shí)間內(nèi)(每秒鐘)開、關(guān)動(dòng)作的次數(shù)。見采樣脈沖fs的波形，采樣信號(hào)是一個(gè)矩形脈沖信號(hào)，它等幅、等寬，在時(shí)間軸上均勻分布。

重要提示

從采樣保持電路輸出的信號(hào)波形就能夠看出，采樣頻率愈高，采樣保持電路輸出信號(hào)的波形與原模擬信號(hào)愈相近，恢復(fù)原信號(hào)時(shí)的失真就愈小。

采樣頻率高將增大所需要記錄的信息量，對(duì)信號(hào)處理器件和電路提出了更高的要求，這必將增加成本。所以，對(duì)于各種模擬信號(hào)的采樣頻率有專門的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)采樣頻率等做出了科學(xué)的規(guī)定。

(2)采樣時(shí)間。采樣時(shí)間是指模擬開關(guān)的接通時(shí)間，也就是采樣脈沖的脈沖寬度。

(3)保持時(shí)間。相鄰兩個(gè)采樣時(shí)間的間隔就是保持時(shí)間。采樣時(shí)間和保持時(shí)間之和等于采樣周期，采樣周期的倒數(shù)就是采樣頻率。