第3章 数字音频处理技术
第03章_数字音频基础
3.2.2 量化（Quantization）
量化是指用若干比特表示一个样本的过程；表示一个样本所使用的比特数称为量化深度 （bit depth）。常见的量化深度有 4 比特、8 比特、16 比特、32 比特等等。不难理解，量化实 际上是一个对声音样本的幅值进行离散化处理的一个过程。虽然采样已经在时间上将模拟信号 离散化了，但是样本的大小（即幅值）仍然有无限种可能的取值（所以本质上还是连续量）， 而数字系统只能表示有限种状态，例如，用 8 个比特表示样本大小的话，则只能有 256 种取值。 所以，量化是一个将无限多种可能取值归结为有限多个数字值的过程。通常，系统会将一个样 本以最接近其值大小的数字表示。总之，采样是时间上的离散化，而量化则是空间上的离散化。 需要强调的是，量化深度也是影响数字音频信号质量的重要因素。4 比特只有 16 种取值， 显然，试图通过这样少数几个状态来恢复原始模拟音频信号是十分困难的。但是，量化深度越 多，数据量也会越大，传输和存储的压力自然越大。所以，也需要根据实际应用环境来采用合 适的量化深度。例如，一般的网络音频应用采用了 8 位的量化深度，CD 音频的量化深度则是 16 比特，而有些高级数字音频系统采用了 32 位的量化深度。 3.2.3 编码（Coding） 在采样、量化处理后，模拟音频数字化的第三个步骤是编码。编码实际上是以某种格式最 终生成数字音频数据流的过程，所得到的数字音频数据将会被存储、传输或者进行各种处理。 本章第 3 节将介绍几种重要的音频编码技术。 需要读者注意的是，把数字化过程分解成采样、量化、编码三个阶段实际上是一种简化描 述，各种不同的数字音频技术会有不同的采样、量化与编码机制，特别是量化与编码往往是同 步进行的，而且编码还包括后续的数据流格式化。因此，多数介绍数字音频技术的教科书或学 术著作在提到音频编码的时候，都将这三个步骤合称为编码系统或编码技术，并在编码系统的 框架下对整个模数转换过程进行整体性介绍。本教程下面的阐述也沿用了这一模式。
第3章 数字音频处理技术
信息科学技术学院·曹晓兰 20
3.2.4 音频的编码与压缩技术
音频压缩编码时考虑的因素： 音频质量
数据量
计算复杂度
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常见音频编码算法和标准
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1.波形编码
基于音频数据的统计特性进行的编码，其目 标是使重建语音波形保持原波形的形状。 特点：算法简单，易于实现，可获得高质量 语音。
MIDI音频文件是一个脚本语言，它通过对“事 件”编码，产生声音。一个MIDI事件包含一个音 阶的音调、持续时间和音量等参数。
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1．MIDI乐音合成方法
频率调制（FM）合成法
FM声音合成器波形
原理：根据傅立叶级数理论，任何一种波形信号都可 被分解成若干个频率不同的正弦波
需要以音乐为背景的音响效果，同时从CD －ROM中装载其他数据时； 需要以音乐为背景的音响效果，同时播放波形音 频或实现文-语转换，实现音乐和语音同时输出时。
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多媒体技术
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3.4.1 常见音频软件简介
1.Cool Edit Pro
专业级多轨录音和音频处理软件。 Syntrillium Software Corporation公司开发。 功能强大、效果出色。 详见下节介绍。
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时域掩蔽
除了同时发出的声 音之间有掩蔽现象之外， 在时间上相邻的声音之 间也有掩蔽现象。包括 超前掩蔽和滞后掩蔽。
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3.1.4 音频信号处理过程 音频数字化过程
第三章 音频处理技术PPT课件
除了量化精度以外，数字化声音的技术指标还有采样频率和声道数。
量化精度指每个声音样本需要用多少位二进制数来表示，它反映出度量声音 波形幅度的精确程度，由于计算机按字节运算，一般的量化精度为8位或16 位，量化精度越高，数字化后的声音信号就越可能接近原始信号，但所需要 的存储空间也越大。
超声波
超低频
低频
20Hz
60Hz 80Hz
低频谐波 临场感
250Hz
4kHz 5kHz 6kHz
声音的频率范围
清晰度
停止
12kHz 16kHz 20kHz
要使声音文件能像文字和图形信息一样进行存储、检索、编辑等处理，需要 将声音数字化。声音数字化就是将模拟的连续声音波形在时间上和幅值上进行 离散化处理，共分为两个步骤：采样和量化。
采样就是将声音信号在时间上进行离散化处理，即每隔相等的一段时间在声 音信号波形曲线上采集一个信号样本（声音的幅度）。
量化就是把采样得到的声音信号幅度转换成相应的数字值。采样后的数值不 一定能在计算机内部进行方便的表示，所以将每一个样本值归入预先编排的 最近的量化级上，该过程称为量化。
如果幅度的划分是等间隔的，就称为线性量化，否则就称为非线性量化。
声音压缩方法分类: 波形编码 参数编码 混混合合编编码码
采用线性技术构成声道模型，不只传输预测参数和清浊音信息，而是将 预测误差信息和预测参数同时传输，在接收端采用新的预测参数构成合 思 成滤波器，使得合成滤波器输出的信号波形与原始语声信号的波形最大 想 程序的拟合，从而获得自然度较高的语声。这种编码技术的关键是：如 何高效地传输预测误差信息。
第3章数字音频处理技术
MPEG音频编码具有很高的压缩率： 音频编码具有很高的压缩率： 音频编码具有很高的压缩率 MP1-------4:1 MP2-------6:1~8:1 MP3-------10:1~12:1
3.4数字音频信号的编码 ●3.4数字音频信号的编码
一般情况下，声音的制作是使用麦克风或录音机来产生， 一般情况下，声音的制作是使用麦克风或录音机来产生， 再由声卡上的WAVE合成器的( WAVE合成器的 数转换器)对模拟音频采样后， 再由声卡上的WAVE合成器的(模/数转换器)对模拟音频采样后， 量化编码为一定字长的二进制序列，并在计算机内传输和存储。 量化编码为一定字长的二进制序列，并在计算机内传输和存储。 在数字音频回放时，再由数字到模拟的转化器( 模转换器) 在数字音频回放时，再由数字到模拟的转化器(数/模转换器) 解码可将二进制编码恢复成原始的声音信号， 解码可将二进制编码恢复成原始的声音信号，通过音响设备输 如下图所示。 出。如下图所示。
S＝44100×10×（16／8）×2=1764KB ＝ × × ／ ）
●
VOC文件 文件
是声霸卡使用的音频文件格式。 是声霸卡使用的音频文件格式。
文件头：包含一个标识、版本号个一个指向数据块起始 文件头：包含一个标识、版本号个一个指向数据块起始 标识 地址的指针 地址的指针 VOC文 文 件格式 数据块：分为各种类型的子块。 声音数据、静音、标记、 数据块：分为各种类型的子块。如声音数据、静音、标记、 ASCII码文件、重复、重复的结束及中止标记等。 码文件、 码文件 重复、重复的结束及中止标记等
文件头：包含一个标志符、语音特征值、声道特征值以及 文件头：包含一个标志符、语音特征值、声道特征值以及 标志符 PCM格式类型标志等 格式类型标志等 格式类型标志 RIFF文 文 件格式 数据块：数据子块标记、数据块长度、波形音频数据 个数据 数据块：数据子块标记、数据块长度、波形音频数据3个数据 子块组成、 子块组成、
第3章数字音频处理技术二
语音识别的发展
语音识别想其他技术一样都是在经历了风雨之后， 才见到今天的彩虹。从上个世纪50年代在美国和我国 对于语音识别就开始研究，并有所收获。到了70年代 后期，语音技术沿着三个不同的发展方向前进：特定 人向非特定人扩展、孤立词向连接词扩展、小词汇量 向大词汇量扩展。到了80年代有了长足的进步和实质 性的进展。出现了一个标志——HMM模型和一大批语 音识别系统，其中美国的CMU的Sphinx是一个经典作 品。
声卡的结构与功能
声卡一般由Wave合成器、MIDI合成器、混 合器、MIDI电路接口、CD-ROM接口、DSP数字信 号处理器等组成。
(1). Wave合成器 Wave合成器的模/数转换和数/模转换是声
卡上数据处理器件。
(2). MIDI合成器 标准的多媒体计算机通过MIDI合成器播放
MIDI文件。
● 音源
•
由于音乐艺术最终要以声音的形式表现出来，
所以做为电脑音乐系统中产生声音的设备，音源音 色的数量、品种和质量都将对最终音乐作品的好坏 产生巨大的影响。现在市场的音源种类很多，有适 合做流行音乐的，有适合做管弦乐作品的，还有适 合于做电子音乐的。另外，不同牌子的音源往往也 会各有优劣之处，购买时应认真加以比较挑选。除 音色的好坏可以直接听到外，选购音源还应注意其 音色数、操作的难易程度和音色的编辑能力等等
MIDI是由软件和硬件部分组成的系统规范， 这个规范定义了MIDI设备间数字传送时电缆硬件 接口和协议。规定定制的目的时使各生产乐器厂 家之间通过统一的MIDI交换信息及控制信号，从 而完成音乐的合成。这样，任何电子乐器，只要 有处理MIDI信息的处理器和适当的硬件接口都能 变成MIDI装置。
● 2.MIDI系统的组成
第3章数字音频处理技术
(3) 音色 音色指声音的感觉特性，与波形相关，影响声音感觉特色
的因素是复音。所谓“复音”是指具有不同频率和不同振幅的 混合声音，自然声中大部分是复音。在复音中，最低频率是 “基音”，它是声音的基调；其他频率的声音称为“谐音（泛 音）”。 5 声音的主要性质 ● 连续性：在时间轴上是连续信号，具有连续性和过程性。
教学进程
3.2 数字化音频
3.2.1 数字音频基本概念
量化
对采样后的声音信号的振幅值进行离散化处理。如果幅 度的划分是等间隔的，就称为线性量化，否则就称为非 线性量化。
编码
将采样和量化后的数字化声音信息以二进制形式并按 照一定的数据格式进行表示，这个过程称为编码。
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3.2.2 数字音频音质技术指标
(2) 音强
音强即声音的响亮程度（或音量），与振幅相关，取决于声波信 号的强弱程度。音强与声波振幅成正比，振幅越大，强度越大，反之 亦然。唱盘、CD盘以及其他形式的声音载体中的音强是一定的，通 过播放设备的音量控制，可以改变聆听时的强度。如果想改变原始声 音的音强，可以在声音数字化以后，使用音频处理软件提高音强。
采样率/kHz 8 16
37.8 44.1
量化位数/bit 8 16 16 16
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● 相关性：构成声音的数据，前后之间具有强烈的相关性。
● 实时性：对处理声音的计算机硬件和软件提出很高要求。
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3.2 数字化音频
模拟信号与数字信号 从模拟信号过渡到数字信号
回顾历史，大多数电信号的处理一直是用模拟元部件(如晶体管、变压 器、电阻、电容等)对模拟信号进行处理。但是，开发一个具有相当精 度、且几乎不受环境变化影响的模拟信号处理元部件是相当困难的， 而且成本也很高。
数字音频处理技术的创新与发展
数字音频处理技术的创新与发展第一章引言数字音频处理技术是近年来迅速发展的一个领域。
随着科技的不断进步，数字音频处理技术已经在广播、音乐录音、娱乐等领域得到了广泛应用。
本文将介绍数字音频处理技术的基本原理以及其创新与发展的现状。
第二章数字音频处理技术基础2.1 采样和量化对于音频信号的处理，首先需要对其进行采样和量化。
采样是将连续的音频信号转化为离散的数值序列，而量化则是将取样值映射为有限数量的离散级别。
采样率和比特深度是两个重要参数，它们决定了音频信号的质量和精度。
2.2 压缩编码为了减小音频文件的存储空间和传输带宽，压缩编码是必不可少的。
常见的音频压缩编码方法包括有损和无损压缩。
有损压缩方法可以通过去除人耳无法感知的信号成分来减小文件大小，而无损压缩方法则是通过减少冗余信息来实现。
常见的音频压缩编码算法有MP3、AAC等。
第三章数字音频处理技术的创新3.1 空间音频处理空间音频处理是指通过声场编码和渲染技术实现立体声、环绕声等音频效果。
通过合理的声源布置和数字信号处理算法，可以使得听众感受到来自不同方向的声音，并且能够感受到声音的距离和高度变化，提供更加逼真的听觉体验。
3.2 实时音频处理实时音频处理是指以实时性为要求的音频信号处理。
这种处理一般用于语音通信、音频会议等需要即时反馈的场景。
实时音频处理技术需要具备较低的延时和高的处理速度，因此对算法的优化和硬件的支持有着较高的要求。
3.3 虚拟现实音频处理虚拟现实音频处理是指通过音频技术为虚拟现实场景提供声音支持。
虚拟现实技术通过模拟真实的视听感受，使用户身临其境地感受到虚拟场景。
音频在虚拟现实中的作用同样重要，可以通过音频定位和音频效果来增强用户对虚拟场景的沉浸感。
第四章数字音频处理技术的发展趋势4.1 人工智能技术的应用人工智能技术的快速发展为数字音频处理技术带来了许多新的机遇。
通过机器学习和深度学习等方法，可以对音频信号进行智能化处理和分析，实现自动识别和分类、音频增强和修复等功能。
数字媒体技术基础 第三章 数字音频处理技术
第二节 数字音频压缩技术
2.2.4 音频压缩标准 1、MPEG-1音频标准：属于感知编码类型。它 规定了三个不同层次的编码方案。Ⅰ、Ⅱ层建立 在掩蔽模式通用子带和多路复用编码算法的基础 之上。
Ⅲ层次编码复杂程度较大，应用于目前常见的 MP3音频文件编码。
2、 MPEG-2音频标准：经历了三个阶段，前两个 阶段增加了低取样频率的应用，同时增加了单声 道、双声道立体声、5.1声道立体声应用。有向 后兼容的特点。第三阶段支持多声道应用，不向 后兼容。
(1)霍夫曼编码 霍夫曼编码是哈夫曼于1952年提出的一种代 码长度不均匀的编码方法。它的基本原理是按信 源符号出现的概率大小进行排序，出现概率大的 分配短码，反之则分配长码。在分配码字时，需 建立一株n阶完全二叉树。哈夫曼编码有时称为 最佳编码，因为当符号的概率都是2的乘方时， 哈夫曼编码中码字的平均长度达到最小的极限。 即信源的熵。霍夫曼编码是消除编码冗余的最常 用技术。
第二节 数字音频压缩技术
（3）算术编码 算术编码是一种较好的统计编码，每一符号对 应[0，1]上的一个子空间，区间长度为该符号出 现的概率。该方法将被编码的符号串表示为一个 0和1之间的一个区间。
第二节 数字音频压缩技术
第二节 数字音频压缩技术
2、有损压缩 普通的无损压缩方法对信号的保真度高，但是信 号传输占用带宽较宽，保存占有磁盘空间较大。 所以，压缩技术的发展拓展了数字技术发展的平 台。
1、语音合成 语音合成最基本的目的是让机器模仿人类的语言发声 来传送信息。例如：常见的自动化语音服务系统。 （1）波形编码语音合成：以语句、短句、词和音节为合 成单元，这些单元被分别录音后，直接进行数字编码， 经适当数据压缩后组成数字语音库。重放时，根据待输 出的信息，在语音库中取出相应单元的波形数据，串接 或编辑在一起，经解码还原出声音。
3章 数字音频处理技术
3 WMA文件
Windows Media Audio 7压缩的文件，其扩展名是.WMA， 主要优点是在较低的采样频率下保持良好的音质。
4 MIDI文件
乐器数字接口，文件扩展名为.mid。MIDI文件记录的是一 系列指令不是数字化后的波形数据，因此占用存储空间很小。 播放时使用软件波表，可以达到与真实乐器几乎一样的效果。
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3.2.5 数字音频处理
1 基本编辑
删除声音文件中不需要的声音片段，比如噪音、杂音、口 误、重复、过长的停顿等。
2 声道编辑
将单声道变成双声道的声音；或将双声道的变成单声道声 音以节省存储空间；或让声音交替地从左右声道发出，产生声 音的立体效果。
3 淡入淡出
常用于节目的开始、结尾和两段声音之间的过渡。
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主板
主机箱
声音适配器 数字信号
音频信号 音箱
音箱
● 作用: 数字信号与模拟信号之间的双向转换 ● 单板 (输出功率大，抗干扰，音质好) ● 主板集成 (易受干扰，性能指标比单板略差)
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2 声卡的结构体系
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3 声卡的分类 按连接方式分为：板卡式、集成式、外置式
4 声卡的性能指标 (1) 采样和量化能力 (2) 芯片类型 (3) 总线类型 (4) 输出声道数
1 WAV文件
WAV（Wave）文件，又名波形文件，扩展名为.WAV。是 Windows本身存放数字声音的标准格式，几乎所有的音频处理 软件都支持WAV格式。 质量较高，但文件体积大。
最简单的数字音频采集方式：利用Windows中的录音机通 过声卡进行采集。
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准备工作
麦克风已经插到声卡的MIC插孔上，且能正常工作。每次 用户打开录音机时，它都是等待录音的状态 。最后以以.wav的 音频文件格式保存
第3章_数字音频处理技术
▪ 其中8kHz ，11.025 kHz，22.05 kHz，44.1 kHz 是音频工业标准采样频率，多数声卡都支持。市 场上的非专业声卡的最高采样率为48kHz，专业 声卡可高达96kHz或以上。
▪ 例如：8位的声音从最低到最高有28，即256个级别，16位 声音有216，即65536个级别。位数越多，音质越细腻，但 数据量也越大。
❖ 量化位数主要有8位和16位两种。专业级别使用24位 甚至32位。
❖量化的方法可以归纳为两类：一类称为均 匀量化，另一类称为非均匀量化。
均匀量化
❖ 采用相等的量化间隔 对采样得到的信号做 量化就是均匀量化。
❖把量化后的值写成有利于计算机传输和存 储的数据格式，这称之为编码。
例如，模拟电压幅度、量化和编码的关系
电压范围(V) 0.5～0.7 0.3～0.5 0.1～0.3 -0.1～0.1 -0.3～-0.1 -0.5～-0.3 -0.7～-0.5 -0.9～-0.7
量化 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
编码 011 010 001 000 111 110 101 100
3. 影响声音数字化质量的主要因素
❖ 采样频率：也就是每秒钟需要采集多少个 声音样本
❖量化位数：每个声音样本的位数应该是多 少，也叫量化精度
❖声道数：指所使用的声音通道的个数
（1） 采样频率
❖采样频率决定了声音的保真度 。频率以kHz （千赫兹）去衡量。
音频文件格式
▪ VOC：Creative公司的声霸卡(Sound Blaster)使用的 波形音频文件格式。
▪ MID：Windows的MIDI文件（MIDI Audio）存储格式。 ▪ MP3： MP3压缩格式文件。
第3讲 数字音频处理技术
5.Adobe Audition
一款声音编辑软件的名字。目前最新版本是Adobe Audition3.0。它既具有专业软件的全方位功能，又比其他 专业软件更容易掌握。
软件的下载与安装、学习资源的下载 1.下载：可打开，搜索audition （必须先安装好迅雷，推荐安装迷你版迅雷） 2.安装：按照说明安装 3.学习资源下载地址（《Adobe Audition2.0 视频 教程》Flash ）（建议通过flashplayer观看视频 教程）/topics/72004/
录音备用
录音按钮
17
11.4 音频处理软件
Adobe Audition混音
效果选项卡
多轨混音操作 18
11.4 音频处理软件
Adobe Audition编辑
调节音量
变速
19
a.基本操作(续)
参数设置:编辑→参数选择 打开、保存文件: 录音(从话筒录入，机器内音频录入）
选项→Windows录音控制台→麦克风/立体声混音 任务栏上的音量图标
Adobe audition 下载地址
/soft/5720.html /adobeaudition.exe (2.0中文版下载地 址) 使用Adobe audition录音的基本步骤： （1）安装软件 （2）准备好录音背景音乐与文字材料 （3）打开ad2，然后新建会话-保存，选定录制声音的轨 道，点录音按钮，开始录音-结束-保存-特效处理（编辑模 式）-导入背景音乐-切换多音轨模式-把录制的声音与背景 音乐分别导入音轨中——编辑包络线——保存-导出—— 混合导出——存为mp3格式。
1.录音前硬件的安装
保证声卡安装正确 把麦克风的输入线插在声卡输入插口上 通过附件里的“录音机”试音，看到波形文件说 明硬件安装正确，设置也正确，可以录音了
数字音频处理技术
数字音频处理技术数字音频处理技术是一种用于处理音频信号的技术，它通过数字化音频信号，应用各种算法和方法进行处理和改善音频质量。
数字音频处理技术的发展为人们提供了更好的音频体验，它在诸多领域有着广泛的应用，包括音乐产业、电影制作、通信技术以及影视音效设计等。
数字音频处理涉及多个方面，其中一个重要的部分是采样和量化。
采样是将连续的模拟音频信号转换为离散的数字信号。
通过采样，音频信号可以用数字形式表示和处理。
而量化则是将这些数字信号映射到特定的离散值，以表示音频信号的振幅。
另一个重要的数字音频处理技术是数字滤波器。
数字滤波器主要用于音频信号的滤波和降噪。
滤波可以消除信号中的不需要的频率成分，从而实现去除杂音和改善音频质量的效果。
数字滤波器可以通过不同的算法和滤波器类型来实现不同的音频处理效果。
此外，音频编码也是数字音频处理技术的一个重要方面。
音频编码是将音频信号转换为数字数据的过程，常用的音频编码算法包括MP3、AAC等。
音频编码可以有效压缩音频数据，减小文件大小，提高音频传输效率，并且在一定程度上保持音质。
音频解码则是将压缩的数字音频数据恢复为原始的音频信号的过程。
数字音频处理技术还包括音频分析和合成等方面。
音频分析用于分析和提取音频信号的特征，如频谱、频率、音高等，以便进一步的处理和应用。
而音频合成则是通过特定的算法和合成器来合成音乐和声音效果，实现音乐创作和音效设计的需求。
总的来说，数字音频处理技术在音频领域的应用非常广泛，它不仅可以提高音频的质量和效果，还可以实现音频的压缩和传输。
随着科技的不断进步，数字音频处理技术也在不断发展和创新，为人们带来更为出色的音频体验。
数字音频处理技术在现代社会中扮演着重要的角色。
随着科技的进步和发展，人们对于音频质量的要求越来越高。
数字音频处理技术通过各种算法和方法，可以对音频信号进行精确的处理和改善，使得音频在传输、存储和播放过程中具备更好的效果和质量。
在音频产业中，数字音频处理技术的应用非常广泛。
数字音频处理技术
数字音频处理技术数字音频处理技术是一种通过数字信号处理方法对音频信号进行处理和分析的技术。
这种技术可以应用在许多领域，包括音乐产业、通信、语音识别等。
数字音频处理技术的核心是将连续的音频信号转换成离散的数字信号，并对数字信号进行各种算法处理。
这种转换的过程主要包括采样、量化和编码三个步骤。
首先，采样是将连续的音频信号在时间上进行离散化。
采样的频率决定了离散信号的时间分辨率，即能够识别的最小时间单位。
通常情况下，人耳的最高可听频率是20kHz，因此在音频处理中，常用的采样频率是44.1kHz或48kHz。
接下来，量化是将采样后的音频信号幅值进行离散化。
量化的目的是将连续的幅值范围划分成多个离散级别，以便于数字信号的存储和处理。
常用的量化方法包括线性量化和非线性量化，其中线性量化是最常见的方法。
最后，编码是将量化后的信号以比特流的形式表示。
编码的目的是将离散的幅值级别映射到具体的比特位，以便于信号的传输和处理。
常用的编码方法包括脉冲编码调制（PCM）和压缩编码（如MP3、AAC等）。
除了上述的基本步骤，数字音频处理技术还包括许多高级的处理算法和技术，例如滤波、时频分析、音频合成等。
这些算法和技术可以用来改善音频质量、降噪、音频识别等。
数字音频处理技术在音乐产业中起着重要的作用。
例如，音频编辑软件可以通过数字音频处理技术对音频进行剪辑、混音和修饰，以得到高品质的音乐作品。
同时，在通信领域，数字音频处理技术也可以用于语音编解码和语音识别等应用。
总之，数字音频处理技术是一种通过数字信号处理方法对音频信号进行处理和分析的技术。
它不仅可以改善音频质量，还可以应用在音乐产业、通信和语音识别等领域。
随着技术的不断发展，数字音频处理技术将在音频领域发挥越来越重要的作用。
数字音频处理技术已经在音乐产业中发挥了重要的作用。
通过数字音频处理技术，艺术家和音乐制作人可以将录制的声音进行编辑、混音和修饰，以获得高品质的音乐作品。
数字音频技术及其应用
数字音频技术及其应用第一章概述数字音频技术是利用数字信号处理技术实现的音频处理技术。
数字音频技术与传统模拟音频技术相比，具有高保真、低噪声、易于存储、容易传输等优势。
数字音频技术的应用领域非常广泛，如音乐录制、音乐制作、电影制作、音频传输、语音识别等。
本文将重点探讨数字音频技术及其应用领域的相关知识。
第二章数字音频的原理1. 数字信号处理技术数字音频技术基于数字信号处理技术，数字信号处理是指将模拟信号转换为数字信号，然后利用数字信号处理算法对数字信号进行处理的技术。
数字信号处理技术的关键是A/D转换和D/A转换，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，D/A转换器将数字信号转换为模拟信号。
2. 数字音频编码技术数字音频编码技术是指将数字音频信号通过一定的编码方式变换为可存储、可传输、可处理、可重现的数字编码形式。
数字音频编码技术主要有两种类型：有损压缩和无损压缩。
有损压缩是指通过去除信号中一些不重要的信息以减小数据量。
无损压缩则是在不丢失任何信息的前提下，使用一些压缩算法将数据进行压缩。
3. 数字音频处理技术数字音频处理技术是指利用数字信号处理算法对数字音频信号进行处理的技术。
数字音频处理技术主要包括滤波、均衡器、混响器、失真器、压缩器、限幅器、串扰抑制器等。
第三章数字音频的应用1. 音乐录制数字音频技术的出现使得音乐录制技术得到了革命性的发展。
数字音频录制可以实现高保真、低噪声、可自由调节等优势。
2. 音乐制作数字音频技术给音乐制作带来了极大的便利。
音频制作领域的数字技术应用主要有数字录音室、音乐软件、数字合成器等。
3. 电影制作数字音频处理技术也广泛应用于电影制作中。
数字音频处理技术可以有效地提高电影中的音效质量，使其更符合电影的视听效果。
4. 音视频传输数字音频技术也被广泛应用于音视频传输中。
随着互联网的发展，音视频传输成为用户获取音视频内容的重要方式，数字音频技术的应用使得音视频传输更加高清晰、流畅。
数字音频处理：技术、原理与应用研究
数字音频处理：技术、原理与应用研究第一章：引言数字音频处理是一门涉及数字信号处理和音频技术的交叉学科。
随着数字技术的快速发展，数字音频处理在音乐、电影、通信等领域得到了广泛应用。
本章将介绍数字音频处理的基本概念和研究意义，为后续章节的内容打下基础。
第二章：数字音频处理的基本原理2.1 音频信号的数字化音频信号是由连续时间和连续幅度组成的模拟信号，数字化是将连续信号转换为离散信号的过程。
这一过程中涉及到采样、量化和编码等关键步骤。
本节将详细介绍音频信号的数字化原理和相关技术。
2.2 数字音频处理的基本原理数字音频处理是对数字化音频信号进行处理和加工的过程。
在此过程中，需要应用一系列的数字信号处理算法来实现音频效果的调整、降噪、音频合成等功能。
本节将介绍数字音频处理的基本原理和常用算法。
第三章：数字音频处理的技术与方法3.1 音频特征提取音频特征是指从音频信号中提取出的具有代表性的特征参数。
这些特征参数可以用于音频分类、语音识别、音频检索等应用。
本节将介绍常用的音频特征提取方法和相应的算法。
3.2 音频效果处理音频效果处理是指对音频信号进行音色调整、混响、时域处理等操作，以改变音频的声音效果。
本节将介绍常用的音频效果处理算法和技术。
3.3 语音信号处理语音信号处理是指对语音信号进行降噪、去除回声、语音识别等操作，以提高语音通信的质量和可靠性。
本节将介绍常用的语音信号处理方法和相关技术。
第四章：数字音频处理的应用研究4.1 音频编解码音频编解码是指将音频信号进行压缩和解压缩的过程。
通过音频编解码技术，可以实现音频数据的高效传输和存储。
本节将介绍常用的音频编解码算法和技术。
4.2 音频合成与生成音频合成与生成是指通过算法和模型生成新的音频信号，以实现音乐制作、游戏音效等应用。
本节将介绍音频合成与生成的方法和相关技术。
4.3 音频处理在通信领域的应用音频处理在通信领域有着广泛的应用，包括语音通信、音频会议、远程教育等。
第3章 数字音频信息处理
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1 1 10 010 00 0 1 0 1 1 1
图3.9 模拟信号的数字化过程
23
3.2.1 采样
1、香农（Shannon）采样定理 早在20世纪40年代，信息论的奠基者香农（Shannon）就证明了采 样定理。他指出：在一定条件下， 用离散的序列可以完全代表一个连 在一定条件下， 在一定条件下 续函数， 续函数，这是采样定理的基本内容。采样定理看来像是一个数学问题， 而实质上它为数字化技术奠定了一个基础。 2、采样（Sampling）的概念 为实现A/D转换,需要把模拟音频信号波形进行分割，以转换成数字 信号，这种方法称为采样（Sampling）。 3、采样过程 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。
模拟信号很容易受到电子干扰,因此随着技术的发展, 声音信号就逐渐过渡到了数字存储阶段，A/D转换和D/A 转换技术便应运而生。这里，A代表Analog（模拟），D 代表Digital（数字），A/D转换就是把模拟信号转换成 , 0 1 数字信号的过程,模拟电信号变为由0和1组成的信号。 A/D转换芯片如图3.6所示。这样做的好处是显而易见的， 声音存储质量得到了提高，数字化的声音信息使计算机 能够进行识别处理和压缩。A/D或D/A转换的变换波形如 图3.7所示。这也就是为什么如今磁带逐渐被淘汰CD唱 片却趋于流行的原因。
24
克 劳 德 · 香 农 (Claude Elwood Shannon ， 19162001)1916年4月30日诞生于美 国密西根州的Petoskey。他是 美国科学院院士、美国工程院 院士、英国皇家学会会员、美 国哲学学会会员。他是使我们 的世界能进行即时通信的少数 科学家和思想家之一。 他的两大贡献：一是信息 理论、信息熵的概念；另一是 符号逻辑和开关理论。
第三章 数字音频技术基础
采样量化
23
2.2音频的数字化过程
由图中可以得知，当频率越小（时间间 隔越短），量化深度（量化分辨率）越 大，二者的轮廓越吻合，这也说明数字 化的信号能更好的保持模拟音频信号的 形状，有利于保持原始声音的真实情况。
24
2.2音频的数字化过程
在数字音频的衡量指标中，采样频率的单位是 HZ，量化深度一般用比特（Bit）来度量。例 如：某一音频的数字化指标是44.1kHZ，8个比 特位。那么这里的44.1kHZ比较容易理解，但8 比特位并不是说把某一单位的电压（电流）值 成8份，而是分成28＝256份；同理16位是把纵 坐标分成216＝65536份。 通常情况下，在音频数字化的过程中，设置的 采集频率可已选择三种：32kHz、44kHz、 48kHz。特别是在CD制作过程中，一般的采样 频率是44.1kHz，那么为什么会设置这三个档 25 次呢？
6
1.1音频的概念及特性
在物理学上声音的三个基本特性：频率、振幅和波 形，对应到人耳的主观感觉就是音调、响度和音色。 所谓频率即发声物体在振动时，单位时间内的振动的 次数，单位为赫兹（HZ）。 振幅是指发声物体在振动时偏离中心位置的幅度，代 表发声物体振动时动势能的大小。振幅是由物体振动 时所产生的声音的能量或声波压力的大小所决定的。 声能或声压愈大，引起人耳主观感觉到的响度也愈大。 音色是指声音的纯度，它由声波的波形形状所决定。 即使某种声音它们的振动和频率都一样，也就是说它 们的音调高低，声音强弱都相同，但它们的波形不一 样，所以听起来就会有明显的区别。
数字音频
3
数字音频技术基础
本章学习目标： （1）知道音频的三个特性及其相关概念。 （2）说出几种声音记录设备。 （3）了解模拟音频处理技术涉及到的设备及各 自主要功能 （4）掌握音频数字化的过程 （5）能够列举几种常见数字音频格式，并进行 简单的比较。 （6）了解几款常见的数字音频编辑软件，并知 道其基本性能。 （7）熟练掌握一款数字音频编辑软件的操作方 法。
第三章 音频数字化2-数字音频技术-管恩京-清华大学出版社
要两个字节，约计943MB
序号
1 2 3 4 5
存储方式
模拟 模拟 数字 数字 数字
名称
A4纸 胶卷 CD U盘 硬盘
存储容量
约2000字/页 36页A4 700MB 8GB 1TB
需要数量
2415页 67卷 1.4张 0.12个 0.0009个
➢ 数字信号的抗干扰能力
➢ 数字信号易于传输
F大调音阶时域波形与频谱
钢琴键盘和相应频率
C大调音阶时域分析
音阶 基波频率
Do
262
Re
294
Mi
330
Fa
349
谐波分布（频率Hz/幅度） 524/0.38 786/0.18 1048/0.1 588/0.38 882/0.18 1176/0.1 660/0.38 990/0.18 1320/0.1 698/0.42 1047/0.2 1396/0.1
语音信号处理的目的：要得到某些语音特征参数以便 高效的传输或存储；或者通过某种处理运算以达到某 种用途，如语音合成、语音识别、语义识别等。
➢ 数字信号特点 存储方式 模拟存储
数字存储
数字存储优点： 容量大 稳定性好
例如：中国最长的古典小说《榴花梦》共483万字，存储一个汉字需
数字音频技术
第三章 音频数字化（二）
主要内容
连续时间信号 离散时间信号 数字技术原理 基本信号的时域表示 时域与频域的关系 频域分析的应用 音节频谱分析 数字信号存储
➢ 连续时间信号
➢ 离散时间信号
➢ 数字技术原理
x(t)
连续系统
y(t)
h(t)
x[k]
离散系统
h[k]
数字音频效果处理技术研究
数字音频效果处理技术研究第一章绪论数字音频处理技术是指利用数字信号处理技术对音频信号进行处理的过程。
数字音频经过一系列处理后，可以实现各种音效的添加，从而使音频更加逼真、具有空间感和趣味性。
目前，数字音频的应用已经得到广泛的普及，涵盖了音乐制作、电视广播、电影后期制作、游戏设计、虚拟现实等领域。
为此，数字音频效果处理技术也愈发重要，成为学术界和工业界的研究热点。
第二章数字音频效果处理技术数字音频效果处理技术包括时间域处理、频域处理、非线性处理和混响处理等多种处理方法。
其中，时间域处理指对音频波形的时间轴进行操作；频域处理指对音频信号的频率轴进行操作；非线性处理指对音频信号进行非线性操作以达到音效效果的目的；混响处理指对原始音频进行混响处理以增加声音的空间感。
（一）时间域处理时间域处理的基础是音频波形，其主要包括压缩和扩展、时间反转、听觉穿透、平滑、淡入淡出等处理方法。
其中，压缩和扩展是对音频波形进行加速或减速操作；时间反转是将音频波形进行倒放操作；听觉穿透是利用音频波形相互遮挡的特点来突出一个特定的频率段；平滑是对音频波形进行处理，使其更加柔和；淡入淡出是对音频信号的音量进行平滑过渡，以使得声音过渡更加平滑自然。
（二）频域处理频域处理是指对声音信号的频谱进行操作，其中最常见的处理方法是均衡器和滤波器。
均衡器根据声波的波形分布，调整声音信号在频率上的相对幅度，以达到音乐表现上的效果。
滤波器则是按照滤波器类型，对信号在特定频率段进行过滤，并将信号的频率范围调整到所需的频率范围内。
（三）非线性处理非线性处理是针对特定的目标音效进行的，例如镭射枪声、火警报警器声等。
其处理方式通常采用非线性滤波、动态压缩等。
非线性滤波是利用非线性元件对信号进行处理以改变其频率响应，增强或压缩频谱中的某些部分。
动态压缩器则是对信号进行动态压缩，使得信噪比得到提高，音效更加清晰明显。
（四）混响处理混响处理的目的是让录音听起来更加自然、真实，常见的混响处理方法包括门限、增益、混响器、预延迟等。
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3.2 数字化音频
3.2.1 数字音频基本概念 声音的数字化过程
采 样
声音采样的基本原理是：首先输入模拟声音信号，然后按照 固定的时间间隔截取该信号的振幅值，每个波形周期内截取 两次，以取得正、负想的振幅值。该振幅值采用若干位二进 制数表示，从而将模拟声音信号变成数字音频信号。模拟声 音信号是连续的，而数字音频信号是离散的。 将声音信号在时间上进行离散化处理，即每隔相等的一段时
教学进程
3.1.2 声音的特点 1 声音的传播方式
声音依靠介质（空气、液体、固体）的振动进行传播。声源是 一个振荡源，它使周围的介质产生振动，并以波的形式进行传播。 人耳感觉到这种传播过来的振动，再反映到大脑，就听到了声音。 声音在不同的介质中传播，其传播的速度和衰减的速率是不一样的， 这两个因素导致了声音在不同的介质中传播的距离不同。 2 声音的频率范围
教学进程
3.2 数字化音频
模拟信号与数字信号
从模拟信号过渡到数字信号 回顾历史，大多数电信号的处理一直是用模拟元部件(如晶体管、变压 器、电阻、电容等)对模拟信号进行处理。但是，开发一个具有相当精
度、且几乎不受环境变化影响的模拟信号处理元部件是相当困难的，
而且成本也很高。 如果把模拟信号转变成数字信号，用数字来表示模拟量，对数字信号 做计算，那么难点就发生了转移。把开发模拟运算部件的问题转变成 开发数字运算部件的问题，这就出现了数字信号处理器(digital signal processor,DSP)。DSP与通用微处理器相比，除了它们的结构不同外， 其基本差别是，DSP有能力响应和处理采样模拟信号得到的数据流，
“直达声”与“反射声”示 意图
教学进程
4
声音的三要素
(1) 音调
音调即声音的高低，与频率有关。频率越高，音调越高，反之亦 然。在使用音频处理软件对声音的频率进行调整时，其音调会随之变 化。不同的声源有它自己特定的音调，如果改变了声源的音调，那么 声音会发生质的转变，使人们无法辨别声源本来的面目。 (2) 音强 音强即声音的响亮程度（或音量），与振幅相关，取决于声波信 号的强弱程度。音强与声波振幅成正比，振幅越大，强度越大，反之 亦然。唱盘、CD盘以及其他形式的声音载体中的音强是一定的，通 过播放设备的音量控制，可以改变聆听时的强度。如果想改变原始声
(3) 准立体声 准立体声指的是在录制声音的时候采用单声道，而放音有时 是立体声，有时是单声道。
教学进程
(4) 四声道环绕 准立体声指的是在录制声音的时候采用单声道，而放音有时 是立体声，有时是单声道。 (5) 5.1声道
5.1声音系统来源于4.1环绕，不同之处在于它增加了一个中 置单元。这个中置单元负责传送低于80 Hz的声音信号，在欣赏 影片时有利于加强人声，把对话集中在整个声场的中部，以增加 整体效果。 (6) 7.1声道 是在5.1的基础上又增加了中左和中右两个发音点，以求达到 更加完美的境界。
数据的采样频率和量化位数是影响数据的两个因素。提高采样频率
和增加量化位数将使相应的数据量大大增加，给声音信号的存储与 传输带来困难，这就需要在声音的质量与数据量之间作出恰当的选
择。
教学进程
常用的采样指标及等效音质 采样频率 /kHz 量化位 数/bit 声道数 每分钟的数据量 /MB（无压缩） 等效音质
第
3章
数字音频处理技术
3.1 声音的概述 3.4 MIDI技术 3.1.1 声音的定义 3.4.1 何谓MIDI技术 3.1.2 声音的特点 3.4.2 MIDI声音特点 3.2 数字化音频 3.4.3 MIDI规范 3.2.1 数字音频基本概念 3.4.4 MIDI合成方式 3.2.2 数字音频音质技术指标 3.4.5 MIDI音乐制作系统 3.2.3 数字音频存储量 3.4.6 常用MIDI音乐制作软件 3.2.4 数字音频文件格式 3.5 数字音频的采集、编辑和转换 3.2.5 数字音频处理 3.5.1 Windows录音机的使用 3.2.6 音频信号的特点 3.5.2 数字音频的采集方式 3.3 声卡与音箱 3.5.3 使用GoldWave编辑数字音频 3.3.1 声卡 3.5.4 数字音频的转换 3.3.2 音箱
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不同声音的不同频率范围
次声波
<20Hz
人耳可听域
20~20000Hz
超声波
>20000Hz
常见的声源及其频率范围
教学进程
3
声音的传播方向
声音以振动的形式从声源向四周传播。从声源直接到达人类 听觉器官的声音是“直达声”。直达声的方向辨别非常容易。但 是，在现实生活中，森林、海洋、建筑、地貌和景物等存在于我 们周围，声音从声源发出后，经过多次反射才能被人们听到，这 就是“反射声”。
音的音强，可以在声音数字化以后，使用音频处理软件提高音强。
教学进程
(3) 音色
音色指声音的感觉特性，与波形相关，影响声音感觉特色 的因素是复音。所谓“复音”是指具有不同频率和不同振幅的
混合声音，自然声中大部分是复音。在复音中，最低频率是
“基音”，它是声音的基调；其他频率的声音称为“谐音（泛 音）”。 5 声音的主要性质 ● 连续性：在时间轴上是连续信号，具有连续性和过程性。 ● 相关性：构成声音的数据，前后之间具有强烈的相关性。 ● 实时性：对处理声音的计算机硬件和软件提出很高要求。
11.025
22.05 44.1
8
16 16
单声道
双声道 双声道
0.63
5.05 10.09
语音
FM广播 CD唱盘
数字音频等级
信号类型
电话话音 宽带音频 调频广播 高质量音频
频率范围/Hz
200~3400 50~7000 20~15000 20~20000
采样率/kHz
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4
编码算法 音频数据压缩比的表达式
压缩后的音频数据
音频数据压缩比 = 压缩前的音频数据
编码作用：一方面是采用一定的格式来记录数字数据，另一方面是 采用一定的算法来压缩数字数据以减少存储空间和提高传输效率。 压缩比越大，信息丢失越多，信号还原后失真越大。 5 数据率及数据文件格式
数据率为每秒位数，它与信息在计算机中的实时传输有直接关系， 而其总数据量又与计算机的存储空间有直接关系。用数字音频产生 的数据一般以WAVE的文件格式存储，以 “.WAV”作为文件扩展名。
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3.2.2 数字音频音质技术指标
2
量化位数 量化位数又称取样大小，它是每个采样点能够表示的数据 范围。量化位数的大小决定了声音的动态范围，即被记录和重 放的声音最高与最低之间的差值。
3
声道数
声道数是指所使用的声音的通道个数，它表明声音一次同
时产生的声波组数。声音的声道数也是技术发展的重要标志， 从单声道到环绕立体声，声音的质量越来越好，但是同时增加 了对存储和传输媒体的要求。
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3.2 数字化音频
模拟信号与数字信号 话音信号是典型的连续信号，不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是 连续的。在时间上“连续”是指在一个指定的时间范围里声音信号的幅值 有无穷多个，在幅度上“连续”是指幅度的数值有无穷多个。我们把在时 间和幅度上都是连续的信号称为模拟信号。 在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样(sampling)，由这 些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。采样得到的幅值是无穷
本章要点：
► 声音的概述 ► 数字化音频 ► 声卡与音箱 ► MIDI技术 ► 数字音频的采集、编辑和转换
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3.1 声音的概述
3.1.1 声音的定义 声音（Sound）是通过一定介质（如空气、水等）传播的连续波，在 物理学中称为声波。声音是振动的波，是随时间连续变化的物理量。
(1) 振幅 (Ampliade) 声波的振幅通常是指音量，它是声波波形的高低幅度，表示 声音信号的强弱程度。 (2) 周期(Period) 声音信号的周期是指两个相邻声波之间的时间长度，即重复 出现的时间间隔，以秒（s）为单位。 (3) 频率(Frequency) 声音信号的频率是指每秒钟信号变化的次数，即为周期的倒 数，以赫兹（Hz）为单位。
多个实数值中的一个，因此幅度还是连续的。如果把信号幅度取值的数
目加以限定，这种由有限个数值组成的信号就称为离散幅度信号。例如， 假设输入电压的范围是0.0V-0.7V,并假设它的取值只限定在0,0.1,0.2…,0.7 共8个值 。如果采样得到的幅度值是0.123V，它的取值就应算作0.1V， 如果采样得到的幅度值是0.26V，它的取值就算作0.3，这种数值就称为 离散数值。我们把时间和幅度都用离散的数字表示的信号就称为数字信声道是比较原始的声音复制形式，早期的音频卡采用的比 较普遍。当通过两个扬声器回放单声道信息的时候，可以明显感 觉到声音是从两个音箱中间传递到耳朵里的。 (2) 立体声
立体声又称为双声道。单声道缺乏对声音的位置定位，而立 体声技术则彻底改变了这一状况。声音在录制过程中被分配到两 个独立的声道，从而达到了很好的声音定位效果。
间在声音信号波形曲线上采集一个信号样本。
教学进程
3.2 数字化音频
3.2.1 数字音频基本概念
量 化
对采样后的声音信号的振幅值进行离散化处理。如果幅 度的划分是等间隔的，就称为线性量化，否则就称为非
线性量化。
编 码
将采样和量化后的数字化声音信息以二进制形式并按 照一定的数据格式进行表示，这个过程称为编码。
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3.2.3 数字音频存储量 数据量=采样频率×（量化位数/8）×声道数×声音持续时间 对于调频广播级立体声，采样频率为44.1kHz，量化等级为16 位（即2字节）声道形式为双声道，则转换后每秒以千字节为 单位的数据量为：
例 3-1
44 100（Hz）×（16/8）（B）×2=176 400B/s≈172kB/s