音频基本知识

音频基本知识

第一部分 模拟声音-数字声音原理

第二部分 音频压缩编码

第三部分 和弦铃声格式

第四部分 单声道、立体声和环绕声

第五部分 3D环绕声技术

第六部分数字音频格式和数字音频接口

第一部分 模拟声音-数字声音原理

一、模拟声音数字化原理

声音是通过空气传播的一种连续的波，叫声波。声音的强弱体现在声波压力的大小上，音调的高低体现在声音的频率上。声音用电表示时，声音信号在时间和幅度上都是连续的模拟信号。

图1 模拟声音数字化的过程

声音进入计算机的第一步就是数字化，数字化实际上就是采样和量化。连续时间的离散

化通过采样来实现。

声音数字化需要回答两个问题：①每秒钟需要采集多少个声音样本，也就是采样频率(f s)是多少，②每个声音样本的位数(bit per sample，bps)应该是多少，也就是量化精度。 ¾采样频率

采样频率的高低是根据奈奎斯特理论(Nyquist theory)和声音信号本身的最高频率决定的。奈奎斯特理论指出，采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样才能把以数字表达的声音还原成原来的声音。采样的过程就是抽取某点的频率值，很显然，在一秒中内抽取的点越多，获取得频率信息更丰富，为了复原波形，一次振动中，必须有2个点的采样，人耳能够感觉到的最高频率为20kHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40k 次采样，用40kHz表达，这个40kHz就是采样率。我们常见的CD，采样率为44.1kHz。电话话音的信号频率约为3.4 kHz，采样频率就选为8 kHz。

¾量化精度

光有频率信息是不够的，我们还必须纪录声音的幅度。量化位数越高，能表示的幅度的等级数越多。例如，每个声音样本用3bit表示，测得的声音样本值是在0～8的范围里。我们常见的CD位16bit的采样精度，即音量等级有2的16次方个。样本位数的大小影响到声音的质量，位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多。

¾压缩编码

经过采样、量化得到的PCM数据就是数字音频信号了，可直接在计算机中传输和存储。但是这些数据的体积太庞大了！为了便于存储和传输，就需要进一步压缩，就出现了各种压缩算法，将PCM转换为MP3,AAC,WMA等格式。

常见的用于语音(Voice)的编码有：EVRC (Enhanced Variable Rate Coder) 增强型可变速率编码，AMR、ADPCM、G.723.1、G.729等。常见的用于音频(Audio)的编码有：MP3、AAC、AAC+、WMA等

二、问题

1、为什么要使用音频压缩技术？

我们可以拿一个未压缩的CD文件(PCM音频流)和一个MP3文件作一下对比：

PCM音频：一个采样率为44.1KHz，采样大小为16bit，双声道的PCM编码CD文件，它的数据速率则为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps，这个参数也被称为数据带宽。将码率除以8 bit,就可以得到这个CD的数据速率，即176.4KB/s。这表示存储一秒钟PCM编码的音频信号，需要176.4KB的空间。

MP3音频：将这个WAV文件压缩成普通的MP3，44.1KHz，128Kbps的码率，它的数据速率为128Kbps/8=16KB/s。如下表所示：

比特率 存1秒音频数据所占空间

CD(线性PCM) 1411.2 Kbps 176.4KB

MP3 128Kbps 16KB

AAC 96Kbps 12KB

mp3PRO 64Kbps 8KB

表1 相同音质下各种音乐大小对比

2、频率与采样率的关系

采样率表示了每秒对原始信号采样的次数，我们常见到的音频文件采样率多为44.1KHz，这意味着什么呢？假设我们有2段正弦波信号，分别为20Hz和20KHz，长度均为一秒钟，以对应我们能听到的最低频和最高频，分别对这两段信号进行40KHz的采样，我们可以得到一个什么样的结果呢？结果是：20Hz的信号每次振动被采样了40K/20=2000次，而20K的信号每次振动只有2次采样。显然，在相同的采样率下，记录低频的信息远比高频

的详细。这也是为什么有些音响发烧友指责CD有数码声不够真实的原因，CD的44.1KHz采样也无法保证高频信号被较好记录。要较好的记录高频信号，看来需要更高的采样率，于是有些朋友在捕捉CD音轨的时候使用48KHz的采样率，这是不可取的！这其实对音质没有任何好处，对抓轨软件来说，保持和CD提供的44.1KHz一样的采样率才是最佳音质的保证之一，而不是去提高它。较高的采样率只有相对模拟信号的时候才有用，如果被采样的信号是数字的，请不要去尝试提高采样率。

3、流特征

随着网络的发展，人们对在线收听音乐提出了要求，因此也要求音频文件能够一边读一边播放，而不需要把这个文件全部读出后然后回放，这样就可以做到不用下载就可以实现收听了。也可以做到一边编码一边播放，正是这种特征，可以实现在线的直播，架设自己的数字广播电台成为了现实。

第二部分 音频压缩编码

一．有损(lossy)/无损(lossless)/未压缩(uncompressed)音频格式

未压缩音频是一种没经过任何压缩的简单音频。未压缩音频通常用于影音文件的的PCM 或WAV音轨。

无损压缩音频是对未压缩音频进行没有任何信息/质量损失的压缩机制。无损压缩音频一般不使用于影音世界，但是存在的格式有无损WMA或Matroska里的FLAC。

有损压缩音频尝试尽可能多得从原文件删除没有多大影响的数据，有目的地制成比原文件小多的但音质却基本一样。有损压缩音频普遍流行于影音文件，包括AC3, DTS, AAC, MPEG-1/2/3, Vorbis, 和Real Audio.

我们也来讨论下无损/有损压缩过程。只要你转换成一种有损压缩音频格式（例如wav 转MP3），质量上有损失，那么它就是有损压缩。从有损压缩音频格式转换成另一有损压缩音频格式（例如Mp3转AAC）更槽糕，因为它不仅会引入原文件存在的损失，而且第2次编码也会有损失。

二、语音(Voice)编码和音频(Audio)编码

语音编码主要是针对语音通信系统中的编码方案，应用在有线或无线通信中；音频编码是针对音乐的编码方案，主要用来更方便地实现对音乐文件进行网络传输和存储。两者的差别一方面是频带不同，另一方面是压缩要求不一样，音乐要求具有高保真度和立体感等要求。音频编码最常见的是MPEG的音频编码。

语音的编码技术通常分为三类：波形编码、参量编码和混合编码。其中，波形编码和参量编码是两种基本类型。

波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。解码是其反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。它具有适应能力强、语音质量好等优点，但所用的编码速率高，在对信号带宽要求不太严格的通信中得到应用，而对频率资源相对紧张的移动通信来说，这种编码方式显然不合适。

脉冲编码调制（PCM）和增量调制（△M），以及它们的各种改进型自适应增量调制（ADM），自适应差分编码（ADPCM）等，都属于波形编码技术。它们分别在64以及16Kbit/s的速率上，能给出高的编码质量，当速率进一步下降时，其性能会下降较快。