音频信号的数字化

(2). 影响数字音频质量的技术参数
对模拟音频信号进行采样量化编码后，得 到数字音频。数字音频的质量取决于采样频率、 量化位数和声道数三个因素。 1). 采样频率 采样频率是指一秒钟时间内采样的次数。 在计算机多媒体音频处理中，采样频率通常采 用三种：11.025KHz(语音效果)、22.05KHz(音 乐效果)、44.1KHz(高保真效果)。常见的CD唱 盘的采样频率即为44.1KHz。
当D/A转换器从图4-2得到的数值中重构原来 信号时，得到图4-3中蓝色(直线段)线段所 示的波形。从图中可以看出，蓝色线与原 波形(红色线)相比，其波形的细节部分丢失 了很多。这意味着重构后的信号波形有较 大的失真。
• 左图为采样率2000Hz，量化等级为20的采样量化过程 • 右图为采样率4000Hz，量化等级为40的采样量化过程 • • 当采样率和量化等级提高一倍，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。
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CD格式——天籁之音 CD音轨文件的后缀名为：cda 标准CD格式是44.1K的采样频率，速率88K/秒，16位量化位数，近似无损的。 CD光盘可以在CD唱机中播放，也能用电脑里的各种播放软件来重放。 WAV格式——无损的音乐 WAV为微软公司开发的一种声音文件格式。 标准格式化的WAV文件和CD格式一样，也是44.1K的取样频率，16位量化位 数，声音文件质量和CD相差无几！ 特点：音质非常好，被大量软件所支持。 MP3格式——流行的风尚 全称Moving Picture Experts Group Audio Layer III），是当今较流行的一种 数字音频编码和有损压缩格式。 是ISO标准MPEG1和MPEG2第三层(Layer 3)，采样率16-48kHz，编码速率 8K-1.5Mbps。 特点：音质好，压缩比比较高，被大量软件和硬件支持，应用广泛。 MIDI——作曲家的最爱 MIDI（Musical Instrument Digital Interface）乐器数字接口 。 MIDI数据不是数字的音频波形，而是音乐代码或称电子乐谱。 MIDI文件每存1分钟的音乐只用大约5～10KB。
量，频谱的幅度实际上就是反映了每个频率分量正弦波的幅度
t
-ƒm
ƒm
ƒ
音频信号的数字化 音频信号经过采样形成离散信号，应用傅里叶变换（DTFT）： ∑ 得到的幅频分布形式是连续的频谱 离散非周期信号的频谱是周期性的，周期为1 / Ts ，形成以 ± n * ƒs 为中心的频谱镜像
t =-∞
∞
t
-ƒm
ƒm
ƒ
音频信号的数字化 数字信号类型不适合正确地再现声音信号，数字化处理后需要 进行模拟信号的重新构建 1、把数字代码在每个时间间隔转换为与其成比例的模拟电压， 并将模拟电压的电平保持到下一个时间间隔开始 2、用滤波器平滑阶梯形式的保持电平变为光滑的模拟信号 这个过程称为数字信号转换为模拟信号（D/A转换）
音频信号的数字化
声音是由振动产生的。物体振动停止，发声也停止。当 振动波传到人耳时，人便听到了声音。 人能听到的声音，包括语音、音乐和其它声音（环境声、 音效声、自然声等），可以分为乐音和噪音。 乐音 是由规则的振动产生的，只包含有限的某些特定频 率，具有确定的波形。 噪音 是由不规则的振动产生的，它包含有一定范围内的 各种音频的声振动，没有确定的波形。 声音具有三个要素： 音调、响度（音量/音强）和音色
1、对模拟信号以一定的时间间隔采集，并保持到下一次采样 2、用最接近的量化电平代表采样保持电平 这个过程称为模拟信号转换为数字信号的数字化
音频信号的数字化 音频信号是连续非周期信号，应用傅里叶变换（FT）： 得到的幅频分布形式在所有的频率处都有值，形成一个连续频 谱
频谱描述了信号所包含的从 0 到ƒm 点对称排列的所有频率分
借助于A/D或D/A转换器，模拟 信号和数字信号可以互相转换
8 位 可 编 程 A/D 转 换 芯 片
(1). 采样和量化
数字化音频的过程如下图所示。
(a) 模拟音频信号
(b) 音频信号的采样
Байду номын сангаас(c) 采样信号的量化
采样与量化过程示例
以图4-1所示的原始模拟波形为例进行采样和量化。 假设采样频率为1000次/秒，即每1/1000秒A/D转 换器采样一次，其幅度被划分成09共10个量化等 级，并将其采样的幅度值取最接近0 9之间的一 个数来表示，如图4-2所示。图中每个长方形表示 一次采样。
2). 量化位数 量化位数也称“量化精度”，是描述每个采样 点样值的二进制位数。例如，8位量化位数表示每 个采样值可以用28即256个不同的量化值之一来表 示，而16位量化位数表示每个采样值可以用216即 65536个不同的量化值之一来表示。常用的量化位 数为8位、12位、16位。 3). 声道数 声音通道的个数称为声道数，是指一次采 样所记录产生的声音波形个数。记录声音时，如 果每次生成一个声波数据，称为单声道；每次生 成两个声波数据，称为双声道（立体声）。随着 声道数的增加，所占用的存储容量也成倍增加。
音频信号的数字化 信号：将信息从一处传递到另一处的变化形式 信号的特征 连续信号 离散信号 时间方面 任何时刻都有定义 某些时间点无定义 幅度方面 在实数域中取值 取实数域中的部分值 人们通过感官感觉到的声音信号都是模拟信号，信号在时间上 连续，需要无限多个数值来精确表示物理量的大小
音频信号的数字化 模拟信号和数字信号可以通过类型的转换来表达近似的信息