帝国理工探索音频采集新方法，将大信号折回量程再还原

录音时，突然响起的鼓点或一声喊叫，可能让输入信号超出设备量程，波形顶部被削平，产生削波失真。把录音增益调低可以留出余量，却也可能使微弱细节更难分辨。如何兼顾大声和小声，是音频采集中的实际问题。

帝国理工学院Ruiming Guo、Yuliang Zhu与Ayush Bhandari团队提出基于无限采样框架的音频方案USF-Audio（Unlimited Sensing Framework-based Audio）：先在模拟电路中将大信号折回有限范围，再通过算法还原。研究已发表于IEEE Transactions on Audio, Speech and Language Processing，完成了硬件采集、多类音频重建和听音评价。

把超出量程的信号按规则折回

普通模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）需要把输入电压表示为有限个数字等级。在位数固定时，量程越宽，相邻等级之间的间隔越大，细节表达就越粗；信号超过量程，还会被截断。事后的去削波算法只能根据剩余波形估计丢失部分。

USF-Audio在数字化之前加入取模折叠。可以把它理解为钟表指针：走完一圈后继续循环，而非停在刻度终点。信号超过阈值时，电路按固定幅度将其折回，采样值保持在有限范围内。算法再利用连续采样之间的关系，估计折叠位置与幅度，恢复原来的波形。

单个折叠值无法说明信号已经‘转了几圈’，恢复还依赖信号带宽、采样率和量化位数满足相应条件。研究进一步给出了这些参数的关系，并采用分帧算法处理电路噪声和非理想折叠。这是对已有无限采样研究面向音频系统的推进。

用实际电路验证低位数量化的收益

团队用现成电子元件搭建原型，将麦克风输出同时送入折叠采集链路与常规采集链路。主要硬件实验以250 kHz采样，每个样本采用约6位量化；常规参考通道的输入范围为±6.5 V，折叠后的测量值位于0—1 V。小范围内保留较细的电压刻度，再恢复大幅度波形，是这一设计的关键。

在200—1000 Hz单频测试中，方案改善了动态范围、信号与噪声及失真之比等指标。团队还将语音、音乐、鲸声和心音等14段已有录音通过扬声器播放，再由硬件采集。论文报告，这组音频重建后的噪声底平均改善约18 dB。这里的心音和鲸声属于录音回放实验，不能视为临床或海洋现场验证。

听感改善主要体现在受限采集条件下

52名参与者对10段音频进行听音评价。在6位硬件采集组中，5分制平均主观评分由常规音频的3.22分提高至USF-Audio的3.81分，削波音频为1.62分。这表明，仪器测到的改善也体现在听者评价中。

在另一组高位数数字仿真对照中，24位USF-Audio与32位常规音频的评分没有显著差异。结果支持其在采集动态范围受限时改善听感，尚不足以说明它全面优于成熟的高位数录音设备。

实时应用仍需提高信号重建效率

这项研究把减少信息损失的工作前移到采集端：模拟电路负责保留可恢复的结构，算法负责重建声音。它为强弱信号并存的采集任务提供了另一条路线，也为后续声音分析保留更多细节。

目前的代价包括较高的采样率和重建计算量。论文中，一段10秒音乐在所用计算平台上重建耗时784秒，实时处理仍需优化。此外，折叠电路不能挽回麦克风或前级已经发生的过载。整机功耗、成本及声音识别准确率是否改善，还需要专门测试。

论文信息：Guo, R., Zhu, Y., & Bhandari, A. (2026). Re-thinking digital audio via unlimited sensing: Theory, algorithms, and hardware validation. IEEE Transactions on Audio, Speech and Language Processing. https://doi.org/10.1109/TASLPRO.2026.3739166