1.2 数码产品的结构和特点

1.2.1 数字信号处理电路是数码产品的核心电路

1. 典型数码产品中的数字信号处理电路

数码产品是将模拟信号变成数字信号再对数字信号进行处理的产品。数字信号的处理包括编码/解码、压缩/解压缩、记录存储/播放还原、传输/转换等。数字信号在处理过程中干扰能力强、保真度高，因而得到了广泛的应用。例如：数码相机、DV摄录机、手机、MP3/MP4、数字电视机顶盒、VCD/DVD、组合音响、家庭影院、液晶电视/等离子电视机等，都是典型的数字产品。

数码产品的种类很多，功能各异，但们都有着共同的特点，熟悉这些共同的特点，将有利于了解它们独有的结构和功能。

（1）从结构上说，都设有微处理器（CPU），作为整个系统的控制中心。

（2）从主体电路上说，都设有大规模数字信号处理电路。

（3）作为辅助电路，都配有数据存储器、存储数据信号、时钟信号产生电路和液晶显示屏。

（4）都有标准数据接口，以及与外部数字系统进行信息交换或传输。

2. 数字信号处理电路的优越性

数码音响产品中，使用了大量各种功能的数字信号处理电路，模拟音频信号在进行处理时，要先变成数字信号，在处理后还要变回模拟信号，往往要使用A/D变换器将模拟信号变成数字信号，使用D/A变换器再变回模拟信号。

（1）模拟音频信号的特点

模拟信号是在时间轴上连续的信号，可以用它的某些参数去模拟其数值的大小。例如。我们面对话筒演唱或讲话时，声波会使话筒的声膜振动，在动圈式话筒中声膜与处于磁场中的线圈连在一起，声膜振动时线圈也会随之振动。根据电磁感应原理，线圈在磁场中振动时会产生感应电流，这就将声音的波动转变成了电信号。感应电流的变化频率和幅度是与声音的频率和幅度相对应的，话筒输出的这种电信号就是模拟信号，模拟信号的数字处理及还原过程如图1-1所示。

用信号的幅度值来模拟音量的高低，音量高，信号的幅度值就大。用信号的频率模拟音调的高低，音调高，信号的频率就高。因此，模拟信号具有直观、形象的特点。但是模拟信号精度低，表示的范围小，且容易受到干扰。如果模拟信号受到干扰信号的侵扰，信号就会变形，就不能准确地反映原信号的内容。在电子设备中，模拟信号经种种处理和变换，往往会受到噪声和失真的影响。在电路中，从输入端到输出端，尽管信号的形状大体没有变化，但信号的信噪比和失真度可能已经大大改变了。在模拟设备中，这种信号的劣化是无法避免的，模拟信号与数字信号的比较如图1-2所示。

（2）数字信号的特点

为了克服上述模拟信号的缺点，将模拟信号转换成数字信号，并以数字的形式进行处理、传输或存储等。数字信号的特点是代表信息的物理量以一系列数据组的形式来表示，它在时间轴上是不连续的。以一定的时间间隔对模拟信号取样，再将样值用数字组来表示。可见数字信号在时间轴上是离散的，表示幅度值的数字量也是离散的，因为幅度值是由有限个状态数来表示的。模拟信号与数字信号的关系如图1-3所示。

模拟信号的数字化过程是取样、量化和编码的过程。图1-3所示说明了一个模拟信号变换为用四位二进制数表示的一组取样脉冲的数字化过程。显然，取样点越多，量化层越细，就越能逼真地表示模拟信号。从原理上讲，一个信号的数字化必须遵循取样定理，这就要求取样频率必须大于所要处理信号中最高频率的两倍，才能将数字信号还原为不失真的模拟信号，否则有部分信号将不能恢复，并会产生频谱混叠现象。

通过取样，模拟信号变成为一个离散的脉冲信号，然后再进行量化。量化数就意味着对一个最大幅值为固定的信号的分层数，若分层数较少，会有较大的量化噪声。在VCD影碟机中，由于量化数量用二进制数，也就是0和1的脉冲表示。而用二进制数所能代表的实际量化电平的多少，是由二进制的bit（位）数来决定的，并等于2的幂。例如，8位二位制数所能表示的量化电平为28=256，量化数实际上是A/D变换时的分辨率。

数字信号只有两种状态，即0或1，这样单个信号本身的可靠性大为改善，而多个信号的组合数又几乎不受限制。依靠彼此离散的多位二进制信号的组合就可以表示复杂的信息，它又有脉冲型数字信号和电平型数字信号两种形式。

脉冲型数字信号是一种随时间分布的不连续的呈脉动形状的信号，可以用脉冲的有无区分为0或1，如果脉冲为1，则无脉冲为0，这种信号用电路处理比较容易。如果用十进制信号1～10，则需要十种信号状态，用电路则很难处理。

电平型数字信号是一种维持时间相对较长的信号，一般定义高电平表示1，低电平表示0，对同一系统而言，电压持续时间较长的为电平信号，而维持时间相对较短的属于脉冲信号。不论多复杂的模拟信号都可以由一组一组的简单脉冲信号来表示。

数字脉冲信号具有较强的抗干扰能力，即使信号受到一定程度的干扰，只要我们可以区分出信号电平的高低或是脉冲信号的有无，就能正确地识别所表示的数字1或数字0。甚至较大的噪声和干扰也不会有任何影响，这是因为数字脉冲只有0和1这两个值，振幅性的干扰可以通过限幅加以消除。

数字信号的另一个优点是经过处理、变换或传输后，干扰杂波不会积累。处理数字信号的电路具有一致性好、互换性强、稳定性高的特点，便于大规模集成化生产。数字信号的波形简单，物理上容易实现，因而它也便于存储、延迟和变换。通过改变存储器的读出顺序，又可以在空间坐标轴上对数字信号实现各种空间变换。

模拟信号数字化中的主要问题，首先是数字信号的数码率（即单位时间处理的比特数）高，占用频带宽，在很多情况下需要进行压缩处理，否则很难进行处理和传输；其次是数字信号在记录、播放、存储或传输等处理过程中，会产生数据信号的丢失或错误，必须利用一些方法来进行检错和纠错，从而消除信号失落和误码的影响。

1.2.2 数码产品的基本电路结构

1. A/D变换电路的基本功能和结构

综上所述，数字信号具有可靠性高、表示范围宽、精度高、容易实现、便于存储等优点，而这恰恰是模拟信号所不具备的。但是，很多节目信号源仍是模拟信号，各种音频设备的最终输出也往往是模拟信号。在进行信号的放大、发射、接收和处理时，由于带宽所限以及经济性、兼容性等方面的考虑，仍需使用模拟信号。目前只是在音频信号的范围内采用数字处理的方法。例如，模拟磁带录音机，在录放过程中很容易受到干扰的影响，使音质恶化。而数字录音机和激光唱机（CD机）都是采用数字处理技术的设备，它可以利用数字信号的优点消除干扰的影响。

采用数字处理技术，就要先将模拟信号转换成数字信号，A/D变换器就是一种模拟变数字的器件。如图1-3所示，连续的模拟信号经取样、量化和编码后变成了二进制数字信号。模拟信号变成数字信号以后便可以进行种种处理，如存储、延迟、特技处理，等等。

CD机的数字处理过程就是这样，先把模拟信号变成数字信号后，再利用数字信号的抗干扰性强、精度高的特点进行处理，使数字信号在处理过程中不失真、不变形，即使有数据丢失或有错误，也可以弥补和纠错。最后，在输出之前再将数字信号变成模拟信号，这样，不仅能在输出端正确地还原出信号变换前的原始波形，而且能够满足系统对信号的各种要求，特别是具有良好的信噪比和失真特性。

模拟电路和数字电路如图1-4所示，在实际的电路中处理模拟信号的电路被称之为模拟电路，处理数字信号的电路则被称之为数字电路。

数字信号和模拟信号之间是可以互相转换的，如图1-5所示，模拟信号变成数字信号的电路被称之为A/D变换电路，而数字信号变成模拟信号的电路则被称为D/A变换电路。

模拟信号和数字信号的波形如图1-6所示。一个是连续变化的物理量，一个是离散的数字量，即脉冲状的信号。

数字信号的波形也有不同的特点，如图1-7所示。数字信号有2值数字信号和多值数字信号，在实际的产品中大都采用2值数字信号。

A/D变换器是将连续变化的音频信号波形变成离散的数字信号，再进行进一步的处理。从前述可知，A/D变换处理的基本过程是取样量化和编码，图1-8所示是取样电路的示意图。取样后的样点量化就是将模拟信号每个取样点的直流电压值变成数字信号的二进制代码。A/D变换器的电路及输入输出特性如图1-9所示。量化通常是将模拟信号的电压幅度分成很多等级。例如，图中共分了256个等级，每个等级对应一个二进制编码信号。如果模拟信号的最大幅度1 V，最小幅度是0 V，分成256个等级，每个等级相当于1 V/256=0.0038 V。如果取样模拟信号幅度为0.015，从图中看为第4个等级，其编码则应为0100。

如图1-10所示的是一个3位（bit）并联A/D变换器的电路结构。模拟信号送入A/D变换器的输入端，它同时加到7个电压比较器的同相输入端，7个电压比较器的反向输入端接比较器的基准电压，7个基准电压分别接到串联型电阻分压器上，相当于将信号的幅度分成了7个等级（1/7 V0～7/7 V0）。如果输入信号小于1/7 V0则所有的电压比较器输出均为0，经锁存器和编码器后，总输出则为000，如果输入的信号幅度大于2/7 V0，小于3/7 V0，则电压比较器W1、W2输出为1，经编码器则输出010。A/D变换器的真值表如表1-1所列。

A/D变换器可以用简化的电路表示，如图1-11所示的是一种4位（bit）并联型A/D变换器，所谓位数是指输出数字信号的位数。

图中，4位A/D变换器使用15个电压比较器，4位量化，即24=16，量化时按16个等级划分。

2. D/A变换电路的基本功能和结构

D/A变化器是将数字信号变成模拟信号的电路，例如，CD光盘上读取的信号经处理后恢复成数字编码信号，这种信号可以直接传送给其他的音频设备，也可以变成模拟信号经功率放大后去驱动扬声器发声。

如图1-12所示的是最基本的D/A变换电路，它是一种重叠电流加法型D/A变换电路。图中d0～d3是4位二进制数字信号输入端，每个端有一个开关当开关接Vcc电源时，输入信号为“1”，有电流流过电阻器，送到运算放大的输入端。当某开关接到地线端时则输入信号为“0”，输入电流也为0.4位，输入端所串入的电阻值是不同的，分别为R3、R2、R1、R0，二进制数与十进制数的关系为：

23d3+22d2+21d1+20d0 =8d3+4d2+2d1+d0

各电阻器的对应值为：

在每一组二进制信号到来时，加到运算放大器输入端的信号是4位二进制信号之和，通过放大器，输出端就变成了模拟电压值。

8位D/A变换器的电路结构如图1-13所示，8位数字信号的输入端是8个切换开关，开关接地时为0，开关接到基准电压时，就形成了模拟信号。

实际上在不同电子产品中，D/A变换器都制成独立的集成电路。

3. 数字信号的处理过程

脉冲编码调制（PCM）是CD光盘信息处理中所采用的方法。也就是说，记录到CD光盘上的信号是一种脉冲编码信号。谈到调制大家都比较熟悉，例如，调幅（AM）和调频（FM）是广播电台所采用的方法。各种调制方式的比较如图1-14所示，幅度调制（AM）是使载波的幅度随音频信号变化，频率调制（FM）则是使载波的频率随音频信号的幅度变化，这两种调制方法都是模拟信号的处理方法。

脉冲编码调制是将模拟信号转换成二进制数字编码信号的方法。利用这种方法，音频信号以脉冲编码的形式记录到CD光盘上。光盘上一圈圈螺旋形排列的小坑就是对最初输入的模拟音频信号进行数字变换和编码后形成的。光盘信息纹上小坑槽的长度和间隔与PCM信号的脉冲相对应。经过PCM处理的数字信号具有如下3个主要特点：

● 不易受噪声及干扰的影响；

● 可消除光盘旋转不均匀的影响；

● 可以对播放的信号进行误差校正。

CD光盘信息的记录处理过程，就是对信号的取样、量化和编码的过程，这个过程所形成的信号往往被称之为PCM信号。模拟音频信号在变成数字信号时，先用44.1 kHz的信号对模拟信号取样，然后经量化、编码等处理后，将信号送到光盘刻录机中，通过控制激光束调制器，将信号记录到光盘上。而在播放光盘时，由激光头读出的信号再进行种种数字处理。最后再由D/A变换器还原成模拟音频信号输出。

下面我们介绍音频信号数字处理的基本过程。

（1）取样

取样是模拟信号数字化的第一步，它是以一恒定的频率在时间轴上对模拟信号离散取样。根据奈奎斯特取样规则，理想取样时，只要取样频率大于或等于模拟信号中最高频率的两倍，就可以不失真地恢复模拟信号。也就是说，在时间轴上离散后的信号与离散前的模拟信号所包含的信息几乎完全相同。关于取样定理的数字原理我们在这里就不作介绍了，此处只作简单的说明。

图1-15所示为模拟信号的取样过程。输入的模拟信号，其波形为一正弦波。设输入信号的周期为T，则频率f为1/T。此信号是一个频率恒定的信号，其中最高频率为f，根据取样定理，取样频率f 取样应等于或大于2f，即两个取样点之间的间隔不能大于T/2。反之，如果取样频率低于2 f（取样周期大于T/2），则只能在一个周期中取得一个样值，这就不能正确反映模拟信号的全部信息了。

音频信号的最高频率是20kHz，取样频率应选大于40kHz的值，实际应用中一般都使用44.1 kHz。

模拟信号经取样后的输出信号，还要经量化、编码等一系列的处理过程。各元器件处理信号都需要一定的时间，这种对信号处理所需的时间称为保持时间。也就是说，取样的值不应也不会马上消失，而是保持到下一次取样值到来之时。因为，在实际应用中，取样和保持电路总是连接在一起的，故称它们为取样保持电路。

（2）量化和编码

经过取样保持处理后的信号只是时间上离散开来，而它在幅度上仍是连续的信号。把这种信号在其幅度轴上离散开来，也就是把它变为有限个在幅度上离散的二进制信号，这一过程叫做量化。简单地说，就是测量一下每个取样点的值，然后用二进制码表示所测量的幅值，这样就把模拟信号变成了数字编码信号（PCM）。

如图1-16所示的是一个取样信号量化过程的示意图。图中采用4 bit（比特）量化的过程，这是为了简捷地说明量化的原理，而在实际的激光唱机中所用的是16 bit量化。

4 bit量化，就是把每个取样点处的值都用一组4位的二进制数来表示；同理，16 bit量化就是把取样值都用一组16位的二进制数来表示。所以，量化的位数越多，就越能精细地表现原信号。

图示虚线波形中，假设（A）、（B）分别为两个取样点。由图可见，（B）点处的取样值比（A）点处要大一些。4比特量化就是把这两处的值分别用一组4位的二进制数来表示。4位二进制数共有16种组合形式，即共有16个值。把原来虚线波形所表示值的范围分成16段，即16个区间，再把16个值分给这16个区间。图中考虑到虚线的模拟信号波形有正、负两部分。根据信号的幅度均匀地分了16个区间，正负两部分各8个区间，即正半部分从1000到1111，负半部分从0000到0111。（A）点处的取样值正好处于1001所表示的区域内（图中用一个箭头表示），所以用1001表示（A）点的取样值；而（B）点处的取样值处于1011所表示的区域内。它们都是用4位数表示的。这样的数字信号，如果用脉冲型的数字信号表示出来，就得到了图中右下方的脉冲信号波形。

对量化的过程细分还可以分成量化和编码两步。量化是测量各取样点的数值，运用四舍五入或截取小数等方法把取样值归类到一个个值点上。编码就是对量化的每个值点的数值进行二进制编码的过程。正如图中所示的，一个模拟信号经数字化后就可以用一系列的二进制数字来表示了，这些数字只有两个符号，即“0”或“1”。

二进制信号用电路来处理，比较方便。例如，要将数字量变成电信号，可以用脉冲信号表示0或1，而脉冲信号的电压高低可以根据需要来选择，不会影响原来的模拟信号。

（3）量化噪声

我们在对信号进行量化时，所预先设定的量化电平级数值是有限的，把信号的电平量化到某个电平级数时，无论是采用舍入法，还是截尾法，信号的实际信号电平幅度值不可能都恰好等于量化电平级数值，即实际值与量化值之间存在偏差，而我们在量化时却把这个偏差忽略掉了，所以就等于在处理过程中产生了误差，这个偏差称为量化噪声。可见，如果量化级数电平值设得越多，即量化间隔越小，分割得越细，所产生的偏差自然就越小，量化噪声就越低。反之，如果量化的位数过少，那么当把数字信号转换回模拟信号时，就不能正确地恢复出原始信号了。量化噪声出现在恢复时的差异上。所以，量化级差越小，就越能对信号进行精确地还原、转换。量化噪声也是在PCM（脉冲编码调制）记录过程中所产生的唯一噪声，如图1-17所示。

量化噪声由量化编码的位数决定，当然，这个位数也决定了量化的宽度。此外，量化编码的位数还决定了动态范围。在实际应用中，若采用每秒取样88200次，用16 bit量化，一般即可基本达到消除量化噪声的要求了。

（4）动态范围

动态范围是指噪声电平（最小信号电平）和最大不失真信号电平之间的范围，音频信号如在这个范围之内，可以得到不失真的正常传输。如果信号电平过高，波形会失真；如果信号电平过小，甚至低于噪声电平，这样小的信号会被埋没在噪声之中，可见，动态范围越宽越好。

实际上，14 bit量化可使动态范围达86 dB，16 bit量化时动态范围可达98 dB。其计算公式：动态范围=6×N+1.8（以dB为单位），式中的N为量化比特数。CD光盘的动态范围达到97.8 dB，已接近理想值（理想值为100 dB），磁带录音机中磁带的动态范围约为50 dB。

4. 音频信号的压缩处理方法

在MD和VCD/DVD光盘的录制过程中，伴音音频信号要进行不同规格的压缩处理，音频信号的压缩和扩展原理基本上与数字盒式录音机（DAT）方式相同。

音频信号的压缩主要根据声音信号的特点以及人耳的听觉特性进行压缩。例如，频率很低和频率很高的音频信号，人耳几乎听不到，可以去掉；人耳对声音信号有一个最低可听曲线，在可听范围内的不同频率点，人耳的敏感程度也不一样，在可听范围以下的信号是听不到的，也可以去掉。人耳对声音信号的感觉还有一个特性——遮蔽效应，即不同频率的多个单源发声时，接近高电平和低电平的声音，人耳是听不见的，这被称之为遮蔽效应。这部分音频信号也可以去掉。

（1）音频信号压缩编码的基本方法

音频信号在MD光盘录制时采用ATRAC压缩方法，在VCD/DVD光盘上伴音信号压缩编码采用MPEG―1/MPEG―2方法，音频信号压缩编码的基本方法如图1-18所示。

先把音频频带分成32个频带，每个频带称为副频带。然后对每个副频带三等分，在每个副频带中分别对信号抽样量化，同时要根据最低可听曲线和遮蔽电平进行比特分配，比特率的分配是对信号遮蔽较大的频带上分配更多的比特数。此外，还要检测各频带中的最大振幅，最后将音频数字信号编成一组一组的单元，称为一帧数据。

一帧音频数据由引头信号（引头信号中包括有同步模式、比特率、方式等方面的信息）和后面的32频带的比特分配数据、规模系数数据和抽样等组成。

（2）音频数据信号的解码电路

音频信号的解码在解压缩电路中进行，其结构如图1-19所示，激光头读出的信号先经过CD信号处理电路将表示音频和图像的数据取出来，因为在光盘上这些数据记录在CD光盘的音乐区。经CD信号处理电路取出的音频数据是压缩后的数据，此信号被称为编码比特流（数字信号流）。首先进行信号分离（比特流分离开），分别将规模系数、比特分配和抽样数据正常化的信号分开，并送到各自的还原电路。恢复了原来的数据，再进行D/A变换就变成声音信号了。

5. 数码音响信号的编码和解码技术

（1）音频信号的编码和解码

作为家庭影院核心设备的音频和视频设备，开发了多声道环绕声编码和解码技术，开发了多种多样的编码和解码的方法，以及相关的软件和硬件。为了适应多层次用户的要求，既开发了更高水平编码和解码的技术，也开发了简洁普及的虚拟环绕信号处理技术，同时还开发了各具特色的音频信号处理电路。

（2）MPEG

MPEG是Moving Picture Experts Group的简称，其字面意思是活动图像专家组。原来是作为图像和音频压缩编码技术国际标准进行研讨、审定的委员会的名称，现在却更多地用做指代已经标准化的编码技术本身。

关于MPEG标准，到现在为止，已经制定了MPEG―1和MPEG―2以及MPEG―4和MPEG―7四个标准格式。当初的MPEG―3已被并入MPEG―2，而MPEG―5和MPEG―6则从一开始就不曾存在。MPEG―1是以VCD为主要目标且面向存储介质的图像、音频压缩编码的标准格式。

（3）MPEG Audio

MPEG Audio是指MPEG中的音频编码部分。它是一个或两个声道的高品位音频数据（CD质量的高取样频率音频数据）的压缩编码技术，相当于前面介绍的音乐信号编码，由Layer Ⅰ、Layer Ⅱ和Layer Ⅲ 等三个层次构成。MP3即指Layer Ⅲ。在这3个层次里，压缩率按Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ的顺序依次升高，表1-2中列出了各自通常使用的压缩率。

MPEG―2 Audio也是音乐信号编码技术，由BC反向兼容和AAC（高级音频编码）两部分组成。

BC（Backward Compatible，反向兼容性）经MPEG―2 Audio相应编码器编码的音频数据只能在MPEG―1 Audio相对应的解码器中解码。MPEG―2与MPEG―1的基本技术内容相同，主要扩展的功能可适应3声道以上（如5.1声道）的多声道声源和低取样频率声源。

AAC（Advanced Audio Coding，高级音频编码）是目前世界上最高级别的音频编码方式。与MPEG―2的其他部分不同，AAC迟至1997年才制定完成，并于同年出版公布。AAC放弃了与MPEG―1 Audio的反向兼容性。它采用更高的编码技术，进一步提高了压缩效率，可将48 kHz、16 bit取样音源信号压缩至64 kbps/ch（即压缩至1/12），而且能得到几乎与原音源一样的音质。对于各类音源对象，在采用MP3技术时有些能够适应，有些不能适应。

（4）MPEG―2 AAC编码处理

模拟音频信号的数字处理和编码过程，即AAC编码处理方框图，如图1-20所示。其中对音频数字信号的主要处理过程是：输入音频数据的频域变换及子频带分割→量化→哈夫曼编码。量化等级数取决于根据人的听觉心理模式计算所得量化误差的允许上限量。

MPEG―2 AAC中规定了以下三个档次（Profile，也有译作类、型和轮廓）：

● 主档次：这是一种获得最佳音质的方法，但这种方法需要较大的处理、存储信息量。

● LC（Low Complexity，低复杂性）档次：这一档次从主档次中除去帧间预测，从而降低了信号的处理量和存储量。

● SSR（Scaleable Sampling Rate，分别取样率）档次：这一档次是一种可对应解码的解码能力，是对重放取样频率进行分级选择的方式。图1-20所示为主档次的方框图。

1.2.3 采用微型贴片元件是数码产品小型化的秘密武器

在设计电子产品时，元器件的体积是小型化的障碍，各种微型贴片元件的诞生给数码产品小型化提供工艺上的保证，因此微型贴片元件广泛的应用于各种数码产品之中。

图1-21所示为数码电子产品计算机主板上的贴片元器件实物外形。