音频信号是什么

音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。 根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频可分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。

音频信号是（Audio）带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。 根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声音的三个要素是音调、音强和音色。声波或正弦波有三个重要参数：频率 ω0、幅度 A n 和相位ψn ，这也就决定了音频信号的特征。

基本特征

基频与音调

频率是指信号每秒钟变化的次数。人对声音频率的感觉表现为音调的高低，在音乐中称为音高。音调正是由频率ω所决定的。音乐中音阶的划分是在频率的对数坐标（20×log）上取等分而得的：

频率（对数） 48.3 49.3 50.3 50.8 51.8 52.8 53.8

指标

频带宽度：音频信号的频带越宽，所包含的音频信号分量越丰富，音质越好。

动态范围：动态范围越大，信号强度的相对变化范围越大，音响效果越好。

信噪比：信噪比 SNR（SignaltoNoiseRatio）是有用信号与噪声之比的简称。噪音可分为环境噪音和设备噪音。信噪比越大，声音质量越好。

主观度量法：人的感觉机理对声音的度量最有决定意义。感觉上的、主观上的测试是评价声音质量不可缺少的部分。当然，可靠的主观度量值是较难获得的。

平衡与非平衡传输

1.信号的平衡传输

平衡传输是一种应用非常广泛的音频信号传输方式。它是利用相位抵消的原理将音频信号传输过程中所受的其他干扰降至最低。它需要并列的三根导线来实现，即接地、热端、冷端。所以平衡输入、输出插件必须具有 3 个脚位。

传输线当然也得是 2 芯 1 屏蔽层的线，由于热端信号线和冷端信号线在同一屏蔽层内相对距离很近，所以在传输过程中受到的其他干扰信号也几乎相同。然而被传输的热端信号和冷端信号的相位却相反，所以在下一级设备的输入端把热端信号和冷端信号相减，相同的干扰信号被抵消，被传输信号由于相位相反而不会损失。所以在专业的场合和传输距离比较远的时候通常使用平衡传输方法。

2.信号的非平衡传输

非平衡传输只有两个端子信号端与接地端，在要求不高和近距离信号传输的场合使用，如家庭音响系统。这种连接也常用于电子乐器、电吉他等设备。

采集方式

电台等由于其自办频道的广告、新闻、广播剧、歌曲和转播节目等音频信号电平大小不一，导致节目播出时，音频信号忽大忽小，严重影响用户的收听效果。在转播时，由于传输距离等原因，在信号的输出端也存在信号大小不一的现象。过去，对大音频信号采用限幅方式，即对大信号进行限幅输出，小信号不予处理。这样，仍然存在音频信号过小时，用户自行调节音量，也会影响用户的收听效果。随着电子技术，计算机技术和通信技术的迅猛发展，数字信号处理技术已广泛地深入到人们生活等各个领域。其中语音处理是数字信号处理最活跃的研究方向之一，在 IP 电话和多媒体通信中得到广泛应用。语音处理可采用通用数字信号处理器 DSP 和现场可编程门阵列(FPGA) 实现，其中 DSP 实现方法具有实现简便、程序可移植行强、处理速度快等优点，特别是 TI 公司 TMS320C54X 系列在音频处理方面有很好的性价比，能够解决复杂的算法设计和满足系统的实时性要求，在许多领域得到广泛应用。在 DSP 的基础上对音频信号做 AGC 算法处理可以使输出电平保持在一定范围内，能够解决不同节目音频不均衡等问题。

TI 公司 DSP 芯片 TMS320VC5402 具有独特的 6 总线哈佛结构，使其能够 6 条流水线同时工作，工作频率达到 100MHZ。利用 VC5402 的 2 个多通道缓冲串行口(McBSP0 和 McBSP1)来实现与 AIC23 的无缝连接。VC5402 的多通道带缓冲的串行口在标准串口的基础上加了一个 2K 的缓冲区。每次串口发送数据时，CPU 自动将发送缓冲中的数据送出；而当接收数据时，CPU 自动将收到的数据写入接收缓存。在自动缓冲方式下，不需每传送一个字就发一次中断，而是每通过一次缓冲器的边界，才产生中断至 CPU，从而减少频繁中断对 CPU 的影响。

音频芯片采用 TLV320 AIC23，它是 TI 公司的一款高性能立体声音频 A/D，D/A 放大电路。AIC23 的模数转换和数模转换部件高度集成在芯片内部，采用了先进的过采样技术。AIC23 的外部硬件接口分为模拟口和数字口。模拟口是用来输入输出音频信号的，支持线路输入和麦克风输入；有两组数字接口，其一是由/CS、SDIN、SCLK 和 MODE 构成的数字控制接口。AIC23 是一块可编程的音频芯片，通过数字控制口将芯片的控制字写入 AIC23 内部的寄存器，如采样率设置，工作方式设置等，共有 12 个寄存器。音频控制口与 DSP 的通信主要由多通道缓冲串行口 McBSP1 来实现。

AIC23 通过数字音频口与 DSP 的 McBSP0 完成数据的通信，DSP 做主机，AIC23 做从机。主机提供发送时钟信号 BCLKX0 和发送帧同步信号 BFSX0。在这种工作方式下，接收时种信号 BCLKR0 和接收帧同步信号 BFSR0 实际上都是由主机提供的。

AIC23 的数字音频接口支持 S(通用音顿格式)模式，也支持 DSP 模式(专与 TIDSP 连接模式)，在此采用 DSP 模式。DSP 模式工作时，它的帧宽度可以为一个 bit 长。

电路的设计和布线是信号采集过程中一个很重要的环节，它的效果直接关系到后期信号处理的质量。对于 DSP 达类高速器件，外部晶体经过内部的 PLL 倍频以后可达上百兆。这就要求信号线走等长线和绘制多层电路板来消除电磁干扰和信号的反射。在两层板的前提下，可以采取顶层与底层走交叉线、尽量加宽电源线和地线的宽度、电源线成"树杈型"、模拟区和数字区分开等原则，可以达到比较好的效果。

AGC

AGC 算法

使放大电路的增益随信号强度的变化而自动调整的控制方法，就是 AGC-自动增益控制。实现 AGC 可以是硬件电路，即 AGC 闭环电子电路，也可以是软件算法。本文主要讨论用软件算法来实现音频信号的 AGC。

音频 AGC 是音频自动增益控制算法，更为准确的说是峰值自动增益控制算法，是一种根据输入音频信号水平自动动态地调整增益的机制。当音量(无论是捕捉到的音量还是再现的音量)超过某一门限值，信号就会被限幅。限幅指的是音频设备的输出不再随着输入而变化，输出实质上变成了最大音量位置上的一条水平线；当检测到音频增益达到了某一门限时，它会自动减小增益来避免限幅的发生。另一方面，如果捕捉到的音量太低时，系统将自动提高增益。当然，增益的调整不会使音量超过用户在调节向导中设置的值。

数字化

综述

普通的 CD 采用了数字技术，不过它只是简单地把模拟信号加以数字化。为了把模拟信号数字化，首先要对模拟信号进行采样。根据 Nyquest 采样定律，通常其采样频率至少是信号中的最高频率分量的两倍。对于高质量的音频信号，其频率范围是从 20Hz-20kHz。所以其采样频率必须在 40kHz 以上。在 CD 中采用了 44.1kHz 的采样频率。在对模拟信号采样以后，还必须对其幅度上加以分层。在 CD 中，其分层以后的幅度信号用 16 比特的二进制信号来表示，也就是把模拟的音频信号在幅度上分为 65,536 层。这样，它的动态范围就可以达到 96 分贝=20Log65536(6 分贝/比特)。这种直接模数(A/D)变换的方法也称为 PCM 编码。直接数字化的最大缺点是比特率非常高。达到 44.1x16=705.6kbps，或即 88.2kBps。比特率高就意味着要求的存储容量很大。要记录 1 分钟的音乐，就需要 5.047MB 的存储容量。对于两路立体声，就需要 10.584MB。而要记录几十分钟的音乐就需要几百兆的存储容量。

PCM 编码原理

把模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换，它主要包括：

采样：在时间轴上对信号数字化；

量化：在幅度轴上对信号数字化；

编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据。

脉冲编码调制 PCM（Pulse Code Modulation）是一种模数转换的最基本编码方法，CD-DA 就是采用的这种编码方式。