dither技术的原理及应用

Dither是数字音乐处理上非常神奇的技巧,目的是通过用少数的Bit达到与较多Bit同样的听觉效果,方法是在最后一个Bit(LSB)上动“手脚”。例如用16Bit记录听起来好似20Bit的信息,听到原先16Bit无法记录的微小信息。举例来说,现在我有个20Bit的采样信息,现在想将其存为16Bit的信息格式,最简单的转换方式就是直接把后面4个Bit去掉,但是这样就失去用20Bit录音/混音的意义。比较技巧性的方法是在第17~20Bit中加入一些噪音,这段噪音就叫做Dither。这些噪音加入后,可能会进位而改变第16个Bit的信息,然后我们再把最后4个Bit删掉,这个过程我们称为redithering,用意是让后面4个Bit的数据线性地反映在第16个Bit上。由于人耳具有轻易将噪音与乐音分离的能力,所以虽然我们加入了噪音,实际上我们却听到了更多音乐的细节。  

我们通过一个比喻来让大家了解Dither,我们通过手指间的细缝只能看到眼前部分的图像,但是如果前后挥动手掌,就可以通过不同时刻看到的整个图像的各个部份,从而在大脑中建构出完整的图形信息,这就是大脑神奇的地方。Dither与此类似,但不是简单的理论就可以说得清楚的。在众多的Dither技术中,索尼(SONY)公司的SBM(Super Bit Mapping,超级数码映像)、LIVE STUDIO RECORDINGS的ULTRA MATRIX PROCESSING(超级矩阵处理)都是专攻20Bit转16Bit的技术。Dither的数字音讯处理用途非常广泛,凡是两个波形的相加、振幅的缩放、Normalize都会用到。现在的录音室已经发展到24Bit录音,在这个音乐CD还是主流储存媒体的时代,Dither还是非常重要的技术。顺便提一下,在影像处理领域,将24Bit的全彩图像以16Bit的高彩画面显示也会用到Dither的技术。

数字Dithering技术通过在模数转换器(ADC)的输入信号中加入特定的随机噪声,能够有效提高ADC的动态性能,特别是在提高信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)以及减少量化噪声方面。在FPGA平台上实现数字Dithering,可以利用FPGA的高度并行处理能力和灵活的逻辑配置,来实时处理信号和生成Dither信号。 参考资源链接:[FPGA实现数字Dithering技术提升ADC性能](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/b9n2rhoebm?spm=1055.2569.3001.10343) 工作原理上,FPGA实现数字Dithering涉及到以下几个关键步骤:首先,设计一个高质量的Dither信号生成器,可以是基于随机数发生器或伪随机序列。接着,这个Dither信号要与原始模拟信号混合,通常通过加法器来完成。之后,混合后的信号被送入ADC进行模数转换。在数字域中,可以通过数字信号处理技术对转换后的信号进行滤波和后处理,以提取原始信号,并降低量化噪声的影响。 在实际应用中,可能会遇到的挑战包括: 1. Dither信号的生成和管理:需要确保Dither信号具有足够的随机性,以避免引入额外的信号失真。同时,设计者需要考虑如何在FPGA资源限制下高效生成Dither信号。 2. 硬件资源的优化利用:FPGA内部资源有限,因此在实现时需要对Dither信号发生器和模数转换器之间的接口以及信号处理模块进行优化设计,以实现资源的高效利用。 3. 信号处理算法的实现:数字信号处理部分是提高Dithering效果的重要环节,需要选择合适的算法和滤波器设计,以减少量化噪声并提升整体性能。 为了更深入了解数字Dithering技术在FPGA上的实现和应用,推荐阅读论文《FPGA实现数字Dithering技术提升ADC性能》。该文献详细探讨了数字Dithering的理论基础和FPGA实现的关键设计点,以及仿真结果和性能提升的详细分析。通过阅读这篇资料,可以加深对数字Dithering技术的理解,并获得在FPGA平台上实现Dithering技术时的实用指导。 参考资源链接:[FPGA实现数字Dithering技术提升ADC性能](https://wenku.youkuaiyun.com/doc/b9n2rhoebm?spm=1055.2569.3001.10343)
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