音频采样

采样是一种被称为采样的操作，它以一定的时间间隔对随时间连续变化的模拟信号的幅度(振幅)进行采样，从而形成一个在时间上不连续的脉冲序列。图4-5是取样过程的示意图。

图4-5 采样过程示意图图4-5取样过程示意图

关于音频信号采样，应说明以下几点。

(1)从图4-5可以看出，在时间tA，模拟信号在图中的A点，此时其幅度为5。采样的作用是在时间tA测量信号幅度δ。同理，tB时刻得到的采样值是模拟值的7。在每一个采样点，都可以得到该时刻信号幅度对应的样本，这个对应的信号幅度值称为本征值或采样值。随时间连续变化的模拟信号通过采样被转换成一系列的采样值。注意，这个样本值不属于数字信号的范畴，因为它不符合数字信号的定义。

(2)模拟信号的采样是连续的，两个相邻采样点之间的时间间隔是相同的。采样点要按照一定的规律选择，每隔一段时间采样一次。单位时间内模拟信号的采样频率称为采样频率。

(3)采样频率的选择要科学，香农采样定理可以解决这个问题。定理说，如果对随时间变化的信号波形以信号中所含最高频率信号的两倍频率进行采样，那么通过一种叫做插值的方法，就可以将原来的采样值正确地恢复到原来的信号波形。

重要提示

音频系统的两端有模拟电路(或模拟器件)。模拟信号的数字处理只是为了传输、记录和信号处理的方便，数字信号最终必须还原为模拟信号。因此，模拟信号的数字处理必须考虑数字化信号应该被恢复的事实。香农采样定理从采样频率的角度讲述了模拟信号对采样频率的要求。

(4)插值(Interpolation)又称内插，是采样的逆过程，即将一列采样值之间的空间隙填满，以恢复原始波形特征。

音频信号采样和保持电路

采样保持电路用于采集模拟信号的采样值。图4-6显示了音频信号采样保持原理的电路图。在该电路中，输入信号Ui是模拟信号，其输出信号是阶跃信号。注意，它还不是数字信号，步进信号量化后才能变成数字信号。

图4-6 音频信号采样保持电路图4-6音频信号采样和保持电路

从图4-6可以看出，采样保持电路主要由输入缓冲放大电路、模拟开关电路、采样保持电容和输出缓冲放大电路组成。

(1)输入缓冲放大器。该放大器用于将输入信号源与采样保持电路隔离，以防止输入信号源电路影响采样保持电路的正常工作。

输入缓冲放大器的输出信号被施加到模拟开关的输入端。

(2)模拟开关。所谓模拟开关就是采样开关。当开关接通时，输入信号被添加到采样保持电容。由于采样开关的速度很快，即开关接通后立即关断，所以输入信号在接通时刻的幅值就是该时刻电容C1上的充电电压，也就是该时刻输入模拟信号的采样值。

重要提示

采样开关由特殊的脉冲开关控制信号控制。当开关脉冲出现时，模拟开关打开，当开关脉冲消失时，模拟开关关闭。开关关断后，等待下一个脉冲开关信号出现，然后进行第二次采样。

模拟开关每秒开启的次数为采样频率，开启的时间为采样时间。如果音乐信号的采样频率为44.1 kHz，采样时间一般小于25 μs。

(3)保持电路。保持电路由采样保持电容和输出缓冲放大器组成。为了量化方便，模拟开关采集的采样电平值送到采样保持电容，采样电平值由采样保持电容保持，由输出缓冲放大器放大后输出。

当下一个采样值发送到采样保持电容时，采样保持电容和输出缓冲放大器保持并输出最新的采样电平值。

采样保持电路的输出信号波形如图4-7所示。

从图4-7可以看出，模拟信号经过采样保持电路处理后，变成了梯形信号。阶梯信号在时间轴上仍然是连续的，所以它仍然是模拟信号而不是数字信号。这种梯形信号只有经过量化和编码才能成为数字信号。

图4-7 采样保持电路的输出信号波形图4-7采样保持电路的输出信号波形

负半周信号的采样和保持

正半周信号的采样和保持过程如上所述。负半周信号的采样和保持过程与正半周相同，如图4-8所示。在图4-8中，Ui是具有正负半周的输入模拟信号，Uo是经过采样保持电路后的输出信号，fs是采样脉冲。从图4-8可以看出，负半周信号经过采样保持电路后是一个负阶跃信号。

图4-8 负半周信号的采样保持示意图图4-8负半周信号的采样保持图

重要提示

采样保持电路输出的正负半周步进信号的采样过程在幅度上是相同的，但在后续的量化编码中，要区分正负半周信号，即会出现代表负数的二进制编码方式。

采样频率、采样时间和保持时间

(1)采样频率。采样频率是指模拟开关的工作频率，即单位时间内(每秒钟)开关的通断动作次数。参见采样脉冲fs的波形。采样信号是等幅等宽的矩形脉冲信号，在时间轴上均匀分布。

重要提示

从采样保持电路输出的信号波形可以看出，采样频率越高，采样保持电路输出的信号波形越接近原始模拟信号，还原原始信号时失真就会越小。

高采样频率会增加要记录的信息量，对信号处理器件和电路提出更高的要求，肯定会增加成本。所以各种模拟信号的采样频率都有专门的标准，对采样频率做了科学的规定。

(2)采样时间。采样时间是指模拟开关的导通时间，即采样脉冲的脉宽。

(3)保持时间。两个相邻采样时间之间的间隔是保持时间。采样时间和保持时间之和等于采样周期，采样周期的倒数就是采样频率。