第6章　音频信号的特点与测量

6.1　音频信号的特点及相关电路

6.1.1　音频信号的基本特点

音频信号是指带有语音、音乐和音效的信号。音频信号的频率和幅度与声音的音调和强弱相对应。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。声音的三个要素是音调、音强和音色。

在电子产品中音频信号分为两种：模拟音频信号和数字音频信号。模拟音频信号在进行数字处理时，要先变成数字信号，数字信号可以进行延迟、回声、混响、虚拟的立体声等处理，经处理后还要变回模拟信号。往往使用A/D变换器将模拟信号变成数字信号，使用D/A变换器再将其变回模拟信号。

（1）模拟音频信号的特点

模拟信号在时间轴上是连续的信号，可以用它的某些参数去模拟连续变化的物理量，或是该物理量数值的大小。比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是与处于磁场中的线圈连在一起的，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。话筒的结构功能及原理如图6-1所示。

使用话筒演唱时的波形实例如图6-2所示。话筒中感应电流的变化频率和幅度是与声音的频率和强弱相对应的，话筒输出的这种电信号就是模拟音频信号。

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，如图6-3所示。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变差了。在模拟设备中，这种信号的劣化是无法避免的。

（2）信号的传输及噪声干扰

图6-4是模拟信号传输（广播）方式的示意图，模拟信号经传输后会受到噪声和干扰的影响，使接收的信号中混入噪声和干扰信号，在这种情况下，即使采取一些技术措施（滤波、限波）也不能消除噪声的影响。

图6-5是数字信号传输（广播）方式，数字信号在传输过程中同样会受到噪声和干扰的影响。由于数字信号传输的是脉冲信号，脉冲信号经限幅处理后可以消除幅度噪声和干扰的影响，因而，采用数字信号的方式可以解决波形恶化的问题。

（3）数字音频信号的特点

为了克服上述模拟信号的缺点，可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，再将取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6-6所示。

模拟信号的数字化过程是取样、量化和编码的过程。图6-6示出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，这样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。这样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的脉冲信号来表示。

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对其有任何影响。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，因此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。

6.1.2　音频信号的相关电路

康佳LC-TM2018液晶电视机的音频信号处理电路主要是由数字音频信号处理电路N2000、音频功率放大器N2001及外围电路等部分构成的。

图6-7是音频信号处理电路N2000的安装部位，从图中可见它是一个方形贴片式集成电路，具有64个引脚，每5个序号就有一个白线标记，①、、、、、、脚都有数字标记。

图6-8是音频功率放大器N2001（TDA1517A）的安装部位，它是一个单排引脚的集成电路，由于工作时功率大，发热高，因而安装在散热片上。它输出的信号经过两个小插件送到扬声器上。

如果出现伴音不良或无伴音的情况，应先查音频信号处理电路N2000（MSP3563G）的输出信号和音频功率放大器N2001（TDA1517A）的输入信号。正常工作时，应有图6-9、图6-10所示的信号波形。

图6-9、图6-10的信号是音频信号处理电路处理后的信号，该信号再由音频功率放大器TDA1517A进行放大，然后输出为扬声器提供驱动信号。正常波形如图6-11所示。TDA1517A的直流供电及外围电路，可用万用表检测，⑦脚应有+12V电压，如图6-12所示。

如果要判别音频信号处理电路N2000的工作状态，还应检查集成电路N2000的伴音中频或音频信号的输入信号，其正常波形如图6-13所示。如果输入信号正常，应再查N2000电路的供电，、脚应有+5V供电，检测方法如图6-14所示。

此外还应查N2000的、脚的晶振时钟，正常时钟信号为18.432MHz，其波形如图6-15所示。如无振荡波形，有可能晶体损坏。如供电正常有输入信号无输出，有可能是N2000的控制信号失常。还需要检测N2000①、②脚的I2C总线控制信号，检测波形和方法如图6-16所示。I2C总线信号是串行数据信号SDATA和串行时钟信号SCL。