6_数字音频基础
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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。
数字音频基础
采样 量化
编码
压缩
音频 文件
100101100011101
模拟信号的数字化过程
一、声音的数字化过程
1. 采样（Sampling） • 对振幅随时间连续变化的模拟信号波形按一定的时间间隔 取出样值，形成在时间上不连续的脉冲序列，称之为采样。 2. 量化（Quantization） • 将采样值相对于振幅进行离散的数值化的操作称为量化。 即将模拟信号的幅度，在动态范围内划分为相等间隔的若 干层次，把采样输出的信号电平按照四舍五入的原则归入 最靠近的量值。 3. 编码（Coding） • 把采样、量化所得的量值变换为二进制数码的过程称为编 码。 4. 压缩（Compress）目的是减少数据量与提高传输效率。 依据：声音信息中存在着多种冗余；听觉器官的不敏感性； 采样的标本中存在着相关性。
例2
例3
一般播音员的播音频率是４kHz，采用8bit的采用精度单声道 进行采样的时候，计算该播音员播音１０分钟的数据量为：
８kHz＊１０＊６０ ≈ 4.5MB
例4
以CD音质（44.1kHz的采样频率，16位立体声形式）记录一 首５分钟的乐曲所需的存储容量为： 44 100（Hz）×（16/8）（B）×2×５×60 ≈ 51600kB
705.6
立体声
1411.2
立体声
1536
第2节 常用音频格式介绍
• WAV文件(.wav)
– WAV——Wave，波形文件 – 由Microsoft和IBM联合开发的音频文件格式 – 特点：层次丰富、还原性好、表现力强；数据量大；应用 广泛
• CD-DA文件(.cda)
– 标准激光盘文件 – 特点：数据量大，音质好
• AIFF文件(.aif/.aiff)
编码
压缩
音频 文件
100101100011101
模拟信号的数字化过程
一、声音的数字化过程
1. 采样（Sampling） • 对振幅随时间连续变化的模拟信号波形按一定的时间间隔 取出样值，形成在时间上不连续的脉冲序列，称之为采样。 2. 量化（Quantization） • 将采样值相对于振幅进行离散的数值化的操作称为量化。 即将模拟信号的幅度，在动态范围内划分为相等间隔的若 干层次，把采样输出的信号电平按照四舍五入的原则归入 最靠近的量值。 3. 编码（Coding） • 把采样、量化所得的量值变换为二进制数码的过程称为编 码。 4. 压缩（Compress）目的是减少数据量与提高传输效率。 依据：声音信息中存在着多种冗余；听觉器官的不敏感性； 采样的标本中存在着相关性。
例2
例3
一般播音员的播音频率是４kHz，采用8bit的采用精度单声道 进行采样的时候，计算该播音员播音１０分钟的数据量为：
８kHz＊１０＊６０ ≈ 4.5MB
例4
以CD音质（44.1kHz的采样频率，16位立体声形式）记录一 首５分钟的乐曲所需的存储容量为： 44 100（Hz）×（16/8）（B）×2×５×60 ≈ 51600kB
705.6
立体声
1411.2
立体声
1536
第2节 常用音频格式介绍
• WAV文件(.wav)
– WAV——Wave，波形文件 – 由Microsoft和IBM联合开发的音频文件格式 – 特点：层次丰富、还原性好、表现力强；数据量大；应用 广泛
• CD-DA文件(.cda)
– 标准激光盘文件 – 特点：数据量大，音质好
• AIFF文件(.aif/.aiff)
数字音频和声音效果处理软件入门指南
数字音频和声音效果处理软件入门指南第一章：数字音频的基础知识数字音频是将声波转化为数字信号的过程，通过对数字信号进行处理和编辑，能够实现音频的录制、剪辑和改变。
数字音频的主要特点是准确性、可复制性和易于编辑。
数字音频的质量受到采样率和位深度的影响，采样率决定了数字音频的频谱范围，位深度决定了音频的动态范围。
第二章：数字音频处理软件的选择与安装目前市场上有众多数字音频处理软件，如Adobe Audition、Pro Tools、Logic Pro等。
在选择软件时，可以根据个人需求和预算来进行决策。
在安装软件时，需要确保计算机的硬件和操作系统能够满足软件的要求，并按照软件提供的说明进行安装。
第三章：数字音频编辑与处理数字音频编辑与处理是使用软件对录制好的音频进行剪辑、混音、修复和增强的过程。
在编辑过程中，可以使用剪切工具进行音频的裁剪，使用淡入淡出工具平滑过渡，使用音量工具调整音量，使用均衡器调节频谱等。
此外，还可以使用特效插件来增强音频效果，如混响、合唱和压缩等。
第四章：声音效果的应用声音效果是用于增强音频的表现力和艺术效果的技术手段。
常见的声音效果包括回声、合唱、失真和滤波等。
这些效果能够使音频更加生动和具有空间感，使听众获得更好的音乐体验。
在应用声音效果时，需要根据音频的风格和需求选择合适的效果，并适当调整参数来实现理想的效果。
第五章：音频修复和降噪技术音频修复和降噪是在数字音频处理中常用的技术，用于修复损坏的音频和消除背景噪音。
音频修复技术包括去除杂音、修复断点和修复失真等。
降噪技术可以通过降低噪音的幅度来减少噪音对音频的干扰。
在应用这些技术时，需要根据音频的特点和需求选择合适的算法，并进行适当的参数调整。
第六章：音频格式的转换与输出在处理完音频后，需将其导出为适用于不同设备和平台的音频格式。
常见的音频格式包括WAV、MP3、AAC和FLAC等。
选择合适的音频格式的关键是平衡音质和文件大小。
《数字音频技术》课程标准
《数字音频技术》课程标准课程名称数字音频技术英文名称Digital Audio Technology课程编号30320109适用专业计算机多媒体技术课程定位职业技术课总学时64 学分 4考核办法考查先修课程《多媒体技术基础》开课系部（单位）计算机科学与技术系，数字媒体教研室编写者付一君编写时间2009年6月26日审核者李勇审核时间2009年6月29日系教学指导委员会杨瑞良审核时间2009年7月14日一、课程性质与任务数字音频技术是计算机多媒体技术的重要内容，在多媒体产品不可缺少的元素。
数字音频最主要的是我们如何根据实际的需求来采集声音、处理声音、编辑声音和合成声音等。
本门课程的实践性较强，教学的目的在于如何进行有效的声音处理与合成，使学生掌握数字声音的特性和相关技术要点。
本课程作为计算机多媒体技术专业的一门职业技术课，学生实际动手的能力要求较高，同时提高学生的声音的认识能力，以及学生多声音的鉴赏能力。
在教学的过程中，以赏析和实际操作相结合，这样可以较快的提高学生对声音的认识能力和接受速度。
通过案例教学，分解步骤，化难为易，深入浅出地介绍相关理论知识和操作技术。
最后学生能够独立完成相关的项目制作。
同时为后续课程《影视广告创意设计与制作》打下基础。
二、课程教学目标1.知识目标：1）了解声音基本知识；2）掌握Adobe Audition3.0视频编辑技术；3）掌握声音文件收集与采集技术；4）掌握声音编辑技术；5）掌握声音的处理与合成技术。
2.能力目标：1）具备数字声音的基本属性和后期声音编辑的基本流程相关的知识；2）具备Adobe Audition 3.0声音处理软件的基本操作能力；3）具备声音的特殊效果处理能力；4）具备独立完成相关的声音项目作品。
三、授课内容和学时安排每周4学时，共64学时。
1．教学内容（打 * 号为重点讲授部分）。
表中学时分配学时为：讲课学时＋实验学时。
专题题目学时主要内容及要求声音基础2声音基础知识、数字声音的由来、数字声音的分类、数字声音的常见格式、MIDI。
数字音频基础知识
一般来说，无损压缩比率在源文件的50–60%左右，而有损压缩可以达到原文件的5–20%。
3.6常见的数字音频文件格式
常见的数字音频文件格式有很多，每种格式都有自己的优点、缺点及适用范围。
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。
数字音频基础知识
转换（A/D）技术将模拟音频转化为二进制数，这样模拟音频就转化为数字音频了。所谓模数转换就是将模拟信号转化为数字信号，模数转换的过程包括采样、量化和编码三个步骤。模拟音频向数字音频的转换是在计算机的声卡中完成的。
3.2采样
采样是指将时间轴上连续的信号每隔一定的时间间隔抽取出一个信号的幅度样本，把连续的模拟量用一个个离散的点表示出来，使其成为时间上离散的脉冲序列。
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。
适用于：适合用于一般的以及比较高要求的音乐欣赏。
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。
采样频率、采样精度和声道数对声音的音质和占用的存储空间起着决定性作用。
我们希望音质越高越好，磁盘存储空间越少越好，这本身就是一个矛盾。必须在音质和磁盘存储空间之间取得平衡。数据量与上述三要素之间的关系可用下述公式表示：
3.4编码
采样和量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码，即将已经量化的信号幅值用二进制数表示，计算机内采用的就是这种编码方式。
3.6常见的数字音频文件格式
常见的数字音频文件格式有很多，每种格式都有自己的优点、缺点及适用范围。
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。
数字音频基础知识
转换（A/D）技术将模拟音频转化为二进制数，这样模拟音频就转化为数字音频了。所谓模数转换就是将模拟信号转化为数字信号，模数转换的过程包括采样、量化和编码三个步骤。模拟音频向数字音频的转换是在计算机的声卡中完成的。
3.2采样
采样是指将时间轴上连续的信号每隔一定的时间间隔抽取出一个信号的幅度样本，把连续的模拟量用一个个离散的点表示出来，使其成为时间上离散的脉冲序列。
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。
适用于：适合用于一般的以及比较高要求的音乐欣赏。
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。
采样频率、采样精度和声道数对声音的音质和占用的存储空间起着决定性作用。
我们希望音质越高越好，磁盘存储空间越少越好，这本身就是一个矛盾。必须在音质和磁盘存储空间之间取得平衡。数据量与上述三要素之间的关系可用下述公式表示：
3.4编码
采样和量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码，即将已经量化的信号幅值用二进制数表示，计算机内采用的就是这种编码方式。
数字音频基础
数字音视频技术
ISDB T(日本)或8 VSB(美国)调制方式; (2)卫星传输:采用 QPSK 调制方式; (3)有线传输:采用 M QAM 或16 VSB
高数据率调制方式,根据有线信道的不同 特性,分别采用16/32/128/256 QAM 等方 式。
数字音视频技术
三种。DVB－S (QPSK 调制方式)主要用 于数字电视卫星广播系统;DVB －T(OFDM 调制方式)则用于地 面无线发射的数字 电视广播系统;DVB－C(QAM 调制方式)主 要为地面 HFC(Hybrid FiberCoaxnetworks,混合光纤同轴电缆 网)网络数字电视广播所采用。
数字音视频技术
• 图6－1 数字电视系统的基本原理框图
数字音视频技术
下,对反映信源全部信息的数 字信号进 行变换,用尽量少的数字脉冲来表示信源 产生的信息,这就是压缩编码。
信道编码器包括纠错编码和数字调 制,主要解决数字信号传输的可靠性问题, 故又称 为抗干扰编码。经过纠错编码的 传输码流具有检错和纠错的能力,其作用 是最大限度地减 少在信道传输中的误码 率,然后将经过纠错编码后的传输码流调 制成适合于在信道上传输 的波形。
数字音视频技术
6.2 二进制数字调制及其抗噪声性能分 析
6.2.1 二进制数字幅移键控(2ASK) 1.2ASK 调制原理 数字幅度调制又称幅移键控(ASK),二进制幅移键控记作
2ASK。2ASK 是利用代表 数字信息“0”或“1”的基带矩形 脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续地输出。有载 波输出时发送“1”,无载波输出时发送“0”。
–按照声音的来源以及作用来看，可分为人声、乐音 和响音。人声包括人物的独白、对白、旁白、歌声、 啼笑，感叹等；乐音也可成为音乐，是指人类通过 相关乐器演奏出来的声音，如影视作品中的背景声 音，一般起着渲染气氛的作用；响音是指除语言和 音乐之外电影中所有声音的统称，如动作音响 、 自然音响、 背景音响 、机械音响、特殊音响。
ISDB T(日本)或8 VSB(美国)调制方式; (2)卫星传输:采用 QPSK 调制方式; (3)有线传输:采用 M QAM 或16 VSB
高数据率调制方式,根据有线信道的不同 特性,分别采用16/32/128/256 QAM 等方 式。
数字音视频技术
三种。DVB－S (QPSK 调制方式)主要用 于数字电视卫星广播系统;DVB －T(OFDM 调制方式)则用于地 面无线发射的数字 电视广播系统;DVB－C(QAM 调制方式)主 要为地面 HFC(Hybrid FiberCoaxnetworks,混合光纤同轴电缆 网)网络数字电视广播所采用。
数字音视频技术
• 图6－1 数字电视系统的基本原理框图
数字音视频技术
下,对反映信源全部信息的数 字信号进 行变换,用尽量少的数字脉冲来表示信源 产生的信息,这就是压缩编码。
信道编码器包括纠错编码和数字调 制,主要解决数字信号传输的可靠性问题, 故又称 为抗干扰编码。经过纠错编码的 传输码流具有检错和纠错的能力,其作用 是最大限度地减 少在信道传输中的误码 率,然后将经过纠错编码后的传输码流调 制成适合于在信道上传输 的波形。
数字音视频技术
6.2 二进制数字调制及其抗噪声性能分 析
6.2.1 二进制数字幅移键控(2ASK) 1.2ASK 调制原理 数字幅度调制又称幅移键控(ASK),二进制幅移键控记作
2ASK。2ASK 是利用代表 数字信息“0”或“1”的基带矩形 脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续地输出。有载 波输出时发送“1”,无载波输出时发送“0”。
–按照声音的来源以及作用来看，可分为人声、乐音 和响音。人声包括人物的独白、对白、旁白、歌声、 啼笑，感叹等；乐音也可成为音乐，是指人类通过 相关乐器演奏出来的声音，如影视作品中的背景声 音，一般起着渲染气氛的作用；响音是指除语言和 音乐之外电影中所有声音的统称，如动作音响 、 自然音响、 背景音响 、机械音响、特殊音响。
91248-数字音频技术基础-第二讲
听小骨
1.2 声音的物理特性（频率）
11
• 频率即每秒钟内来回往复振动的次数。 • 频率的单位通常用Hz（赫兹）来表示，简称赫。 • 声波的频率就是声源振动的频率。
岭南师范学院
1.2 声音的物理特性（振幅）
12
• 振动物体（声音）离开平衡位置的最大距离叫振幅。 • 振幅越大，振动物体（声音）释放的能量越多。 • 振幅决定声音的高低。
岭南师范学院
小提琴
钢琴
1.4 声音的录制与重现
19
唱片
岭南师范学院
数识（下） 20
掌握数字音频的四要素 掌握数字音频的常见格式
第2课 数字音频基础知识（下）
21
岭南师范学院
1.5 数字音频的概念（音频数字化）
22
数字世界中的声音 • 数字世界中的声音以0和1的形式存储。
0–5,512 Hz
22,050 Hz
Near FM radio
0–11,025 Hz
32,000 Hz Better than FM radio
0–16,000 Hz
44,100 Hz
CD
0–22,050 Hz
48,000 Hz
Standard DVD
0–24,000 Hz
96,000 Hz
Blu-ray DVD
1.6 数字音频的常见格式
41
岭南师范学院
无损
wav
flac
ape
有损
mp3
wma
aac
1.6 数字音频的常见格式（Audition支持） 42
岭南师范学院
43
The End
岭南师范学院
9
• 由计算机通过专门 定义的语言来驱动 音乐合成器产生的 声音（如电子乐器）
1.2 声音的物理特性（频率）
11
• 频率即每秒钟内来回往复振动的次数。 • 频率的单位通常用Hz（赫兹）来表示，简称赫。 • 声波的频率就是声源振动的频率。
岭南师范学院
1.2 声音的物理特性（振幅）
12
• 振动物体（声音）离开平衡位置的最大距离叫振幅。 • 振幅越大，振动物体（声音）释放的能量越多。 • 振幅决定声音的高低。
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小提琴
钢琴
1.4 声音的录制与重现
19
唱片
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数识（下） 20
掌握数字音频的四要素 掌握数字音频的常见格式
第2课 数字音频基础知识（下）
21
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1.5 数字音频的概念（音频数字化）
22
数字世界中的声音 • 数字世界中的声音以0和1的形式存储。
0–5,512 Hz
22,050 Hz
Near FM radio
0–11,025 Hz
32,000 Hz Better than FM radio
0–16,000 Hz
44,100 Hz
CD
0–22,050 Hz
48,000 Hz
Standard DVD
0–24,000 Hz
96,000 Hz
Blu-ray DVD
1.6 数字音频的常见格式
41
岭南师范学院
无损
wav
flac
ape
有损
mp3
wma
aac
1.6 数字音频的常见格式（Audition支持） 42
岭南师范学院
43
The End
岭南师范学院
9
• 由计算机通过专门 定义的语言来驱动 音乐合成器产生的 声音（如电子乐器）
多媒体技术及应用数字音频技术02
特点：在低速的广域网上实时传输音频
4. WMA文件
WMA(Windows Media Audio)是 Windows Media格式中的一个子集(音频 格式)。
特点：压缩到MP3一半
多媒体技术及应用数字音频技术02
2-11
2.1 数字音频基础
5. MIDI和RMI文件 MIDI(乐器数字接口)是由一组音乐、乐 谱或乐器符号的数字集合。 特点：播放效果与硬件相关，数据量很小， 音质不高、音色单调等 6.VOC文件 创新公司开发的声音文件格式，由文件头 块和音频数据块组成。
音乐是符号化的声音。
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.1 数字音频基础
二、声音的数字化 1.声音信号的类型 模拟信号(自然界、物理) 数字信号(计算机) 2.声音数字化过程
模拟信号
采样
量化
编码
数字信号
模拟信号
A/D ADC D/A DAC
数字信号
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.1 数字音频基础
霍夫曼编码、算术编码、行程编码 ②有损压缩
波形编码--PCM、DPCM、ADPCM 子带编码、矢量量化
参数编码--LPC 混合编码--MPLPC、CELP
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.2 数字音频压缩标准
二、音频压缩技术标准
分类
电话语 音质量
调幅广 播质量 高保真 立体声
标准 G.711 G.721 G.723 G.728
多媒体技术及应用数字 音频技术02
2020/11/14
多媒体技术及应用数字音频技术02
第二章 数字音频技术
2.1 数字音频基础 2.2 数字音频压缩标准 2.3 声卡与电声设备 2.4 MIDI与音乐合成 2.5 音频编辑软件 2.6 语音识别技术 本章小结
4. WMA文件
WMA(Windows Media Audio)是 Windows Media格式中的一个子集(音频 格式)。
特点：压缩到MP3一半
多媒体技术及应用数字音频技术02
2-11
2.1 数字音频基础
5. MIDI和RMI文件 MIDI(乐器数字接口)是由一组音乐、乐 谱或乐器符号的数字集合。 特点：播放效果与硬件相关，数据量很小， 音质不高、音色单调等 6.VOC文件 创新公司开发的声音文件格式，由文件头 块和音频数据块组成。
音乐是符号化的声音。
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.1 数字音频基础
二、声音的数字化 1.声音信号的类型 模拟信号(自然界、物理) 数字信号(计算机) 2.声音数字化过程
模拟信号
采样
量化
编码
数字信号
模拟信号
A/D ADC D/A DAC
数字信号
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.1 数字音频基础
霍夫曼编码、算术编码、行程编码 ②有损压缩
波形编码--PCM、DPCM、ADPCM 子带编码、矢量量化
参数编码--LPC 混合编码--MPLPC、CELP
多媒体技术及应用数字音频技术02
2.2 数字音频压缩标准
二、音频压缩技术标准
分类
电话语 音质量
调幅广 播质量 高保真 立体声
标准 G.711 G.721 G.723 G.728
多媒体技术及应用数字 音频技术02
2020/11/14
多媒体技术及应用数字音频技术02
第二章 数字音频技术
2.1 数字音频基础 2.2 数字音频压缩标准 2.3 声卡与电声设备 2.4 MIDI与音乐合成 2.5 音频编辑软件 2.6 语音识别技术 本章小结
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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：
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：