6_数字音频基础

采样速率，即采样频率，指每秒钟采样的次数，单位为Hz（赫兹）。
奈奎斯特采样定理指出：采样频率高于信号最高频率的两倍，就可以从采样中 完全恢复原始信号的波形。
对于以11kHz的频率的采样系统，只能恢复的最高音频是5.5kHz。 如果要把20Hz~20KHz范围的模拟音频信号变换为二进制数字信号，那 么脉冲采样频率至少应为40KHz，其周期为Tp=1/fp=1/40KHz=25μ s。
2.VOC文件
VOC文件是Creative公司所使用的标准音频文件格式， 多用于保存 Creative Sound Blaster(创新声霸)系列声卡所采 集的声音数据，被Windows平台和DOS平台所支持。
3. MIDI格式
MIDI文件所包含的信息完全符合GS的标准，所以，不仅在电脑上可以 处理和重现MIDI音乐，也可以在不同的乐器间传输并且互相控制。 MIDI文件储存着MIDI资料和命令，包括音色、音符、时间码、速度、 调号、拍号、键号等乐谱指令，能保存多达16个通道的音乐信息。按照指 令中时间码的顺序，音序器能够精确地按时间合成音乐，再现文件内部的 乐谱指令所包含的音乐旋律。
1 0 0 1 0 11 0 0 0 111 0 1
模拟信号的数字化过程
1. 采样
信息论的奠基者香农（Shannon）指出：在一定条件下，用离散的
序列可以完全代表一个连续函数，这是采样定理的基本内容。 为实现A/D转换，需要把模拟音频信号波形进行分割，这种方法 称为采样(Sampling)。采样的过程是每隔一个时间间隔在模拟声音的 波形上取一个幅度值，把时间上的连续信号变成时间上的离散信号。 该时间间隔称为采样周期，其倒数为采样频率。采样频率是指计算机 每秒钟采集多少个声音样本形成一系列的离散信 号——脉冲数字信号。这种脉冲数字信号可以一定的方式进行 编码，形成计算机内部运行的数据。所谓编码，就是按照一定 的格式把经过采样和量化得到的离散数据记录下来，并在有用 的数据中加入一些用于纠错、同步和控制的数据。在数据回放 时，可以根据所记录的纠错数据判别读出的声音数据是否有错， 如在一定范围内有错，可加以纠正。 编码的形式比较多，常用的编码方式是PCM——脉冲调制。 脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种 调制方式，即把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都 离散的量，然后将其转化为代码形式传输或存储。
失真在采样过程中是不可避免的，如何减少失真呢？可以直观地 看出，我们可以把上图中的波形划分成更为细小的区间，即采用更高 的采样频率。同时，增加量化精度，以得到更高的量化等级，即可减 少失真的程度。在下图（左）中，采样率和量化等级均提高了一倍， 分别为2000次/秒和20个量化等级。在下图（右）中，采样率和量化等 级再提高了一倍，分别达到4000次/秒和40个量化等级。从图中可以看 出，当用D/A转换器重构原来信号时（图中的轮廓线），信号的失真 明显减少，信号质量得到了提高。
表5-3 MPEG1 Audio音频文件压缩比率和播放媒体最低位率
Layer 1
大约压缩比率 1:4
播放媒体最低位率 348Kbit/s
2 3
1:6~1:8 1:10~1:12
256Kbit/s~192Kbit/s 128Kbit/s~112Kbit/s
MP3（Layer 3）编码是MPEG1 Audio音频压缩标准之一。
常用的采样精度分别是8位、16位和32位。国际标准的语音采用8 位二进制位编码。
根据抽样理论可知，一个数字信源的信噪比大约等于采样精度乘以6分贝。 8位的数字系统其信噪比只有48分贝，16位的数字系统的信噪比可达96分贝 ，信噪比低会出现背景噪声以及失真。因此采样位数越多，保真度越好。
2.声音的采样速率
三、 音频文件的格式
1. 波形格式
WAV文件又称波形文件，来源于对声音模拟波形的 采样，并以不同的量化位数把这些采样点的值轮换成二 进制数，然后存入磁盘，这就产生了波形文件。WAV文 件用于保存Windows平台的音频信息资源，被Windows 平台及其应用程序所广泛支持。

Wave格式支持多种压缩算法，支持多种音频位数、采样 频率和声道，是PC机上最为流行的声音文件格式，但其 文件尺寸较大，多用于存储简短的声音片断。
mp3
MP3 即MPEG1 Layer 3 （Moving Picture Experts Group, Audio Layer III），是Fraunhofer-IIS研究所的研究成果。 由于使用了 MPEG1 Audio Layer 3 技术，可将音频文件以1:10至 1:12 的 压缩率进行压缩。这种技术主要是利用了知觉音频编码技术，削减了音乐 中人耳所听不到的成分，尽可能保持原有的音质。 MP3文件的特点是文件存储空间和音质损坏都较小。每分钟MP3格式的音 乐文件大约占有1MB左右，便于存储和网上传播。 标准的MP3压缩比是10：1，也可以不同的比率进行压缩。压缩得越多， 声音质量下降也将越多。
二、 数字声音质量的主要因素
影响数字化声音质量的因素主要有三个，即采样频率，采样精度和通道个数。
1.声音的采样精度
采样精度，即采样位数或采样分辨率，指表示声波采样点幅度值的二进制数 的位数。换句话说，采样位数可表示采样点的等级数，若用8bit二进制描述 采样点的幅值，则可以将幅值等量分割为256个区，若用16bit二进制分割， 则分为65536个区。 采样位数越多，可分出的幅度级别越多，则分辨率越高，失真度越小，录制 和回放的声音就越真实。但是位数越多，声音质量越高，所占的空间就越大 。
流行的采样频率主要为22.05KHz、44.1KHz、48KHz 采样速率越高，采样周期越短，单位时间内得到的数据越多，对声音的表示越 精确，音质越真实。所以采样频率决定音质清晰、悦耳、噪音的程度，但高采 样率的数据占有很大空间。
3.声音的通道个数
声音的采样数据还与声道数有关。单声道只有一个数据流，立 体声的数据流至少在两个以上。由于立体声声音具有多声道、多方 向的特征，因此，声音的播放在时间和空间性能方面都能显示更好 的效果，但相应数据量将成倍增加。
采样频率与声音频率之间有一定的关系，只有采样频率高于声 音信号最高频率的两倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来 的声音。
fs 2f
2. 量化
采样只解决了音频波形信号在时间坐标(即横轴)上把一个波形 切成若干个等分的数字化问题，但是还需要用某种数字化的方法来 反映某一瞬间声波幅度的电压值大小。该值的大小影响音量的高低。 我们把对声波波形幅度的数字化表示称之为“量化”。 量化的过程是先将采样后的信号按整个声波的幅度划分成有限 个区段的集合，把落入某个区段内的样值归为一类，并赋于相同的 量化值。如何分割采样信号的幅度呢? 我们还是采取二进制的方式， 以８位(bit)或16位(bit)的方式来划分纵轴。也就是说在一个以8位为 记录模式的音效中，其纵轴将会被划分为个量化等级，用以记录其 幅度大小。
例如：可以记录强弱、其它符号、歌词的tri格式，可以记录歌词、表 情等内容的.wrk （Cakewalk软件）格式、Band-In-a-box的“.sgu”格 式。自定格式的文件可以把效果器代码和参数、音场（指器材所再生 的乐队所排列的形状）和位向（播放方向）、混响度等等信息通过系 统码的方式保存在文件中。但当将自定格式的文件转存为标准MIDI格 式，将会忽略这些信息。
调频广播级质量 常用于伴音
11.025
16 8
调频广播级质量 常用于伴音或解 说
几 种 数 字 化 声 音 的 信 息
6-2
为了减少数据量，采样且量化后的数据常要进行压缩。数字音频的编码必 须具有压缩声音信息的能力， 压缩方法自适应脉冲编码调制（ADPCM）法 ADPCM压缩编码方案的特点是： 信噪比高，数据压缩倍率可达2-5倍，而不会明 显失真。
采样频 率kHz 44.1 采样精 度bit 16 存储容 量MB 10.336 数据速率 kb/s 88.2 常用编 码方式 PCM 质量
表
激光唱片级质量
22.05
16
8
5.168
2.584 2.584 1.292
44.1
22.05 22.05 11.025
ADPCM
ADPCM ADPCM ADPCM
第6章 数字音频基础
音频是多媒体应用的重要组成部分。 现实世界的声音来源是相当复杂的，声音不仅与时间和 空间有关，还与强度、方向等很多因素有关。在计算机中 创建音频时，所能模拟的声音还必须要符合人类的听觉特 征和听力范围。
声音的数字化原理
声音的模/数转换（ADC），首先需对声波采样，用数字方式记录声音。图中 横轴表示时间，纵轴表示振幅，按时间对声波分割从而提取波形的样本。实 现这个过程的装置就被称为模/数转换器。
声音的数/模转换（DAC）即由数字声音变成模拟的波形。 音频系统是将声波波形转换成的连续的二进制数据来还原声音的。 实现这个过程的装置被称为数/模转换器。
一、 模拟音频的数字化过程
数字化的声音易于用计算机软件处理，现在几乎所有的专业化 声音录制、编辑器都是数字方式。对模拟音频数字化过程涉及到音 频的采样、量化和编码。 采样和量化的过程可由A/D转换器实现。A/D转换器以固定的频率 去采样，即每个周期测量和量化信号一次。经采样和量化后声音信 号经编码后就成为数字音频信号，可以将其以文件形式保存在计算 机的存储介质中，这样的文件一般称为数字声波文件。
有许多播放器，如图5-11所示的WinGroove、Roland Virtual Sound Canvas和YAMAHA S-YXG Player等软音源播放器，它们都支持标准的 MIDI文件，并且在其中安装了软波表，从而可获得较好的效果。
4. 压缩格式
压缩音频文件是将音频文件按一定的方式压缩而成的文件，它可降低 原有文件的存储空间，更加便于存储和传递。
4. 采样数据量
要从模拟声音中获得高质量的数字音频，必须提高采样的分辨率 和频率，以采集更多的信号样本。采样数据的存储容量计算公式 如下：