音频信号的数字化
《音频数字化》课件
音频编辑和处理
数字音频工具提供丰富的编辑和处理功能，使音频 效果更加精细和个性化。
音频传输和存储
数字音频的压缩和网络传输技术使得音频内容能够 快速传输和存储。
音乐播放器和流媒体服务
数字音频技术促进了音乐播放器和流媒体服务的发 展，使音乐更普及和便捷。
结语
音频数字化的未来发展充满无限可能，但也面临着一些挑战。只有充分认识和发挥音频数字化的 价值和意义，才能更好地应对挑战。
音频数字化的意义
音频数字化使得音频信号能够以数字形式存储、传输和处理，提高音频质量和便捷性。
常见的音频数字化格式
常见的音频数字化格式包括WAV、MP3、AAC、FLAC等。
音频数字化原理
音频数字化涉及模拟信号与数字信号之间的转换，以及ADC和DAC转换器的工作原理。
模拟信号与数字信号
模拟信号是连续变化的信号，而 数字信号是离散的信号，可以通 过采样和量化将其转换。
1
录制和采集
使用录音设备或计算机软件采集音频信号，并将其转为数字音频。
2
编码和压缩
对数字音频进行编码和压缩，以减少文件大小并提高传输效率。
3
存储和传输
将数字音频保存在存储设备中，或通过网络传输音频格式决定了音频信号的存储和传输方式，常见格式包括WAV、MP3、AAC、FLAC等。
WAV格式
WAV是一种无损音频格式，支持高音质的音频录制和 编辑。
MP3格式
MP3是一种有损压缩音频格式，文件大小较小，适合 在网络上传输和存储。
AAC格式
FLAC格式
数字音频的应用
数字音频在音频录制、编辑和处理、音频传输和存储、音乐播放器和流媒体服务等方面得到广泛应用。
音频录制
声音数据化的三个步骤
声音数据化的三个步骤1、音频数字化通常经过三个阶段，即采样—量化—编码。
2、音频数字化过程的具体步骤如下：第一步，将话筒转化过来的模拟电信号以某一频率进行离散化的样本采集，这个过程就叫采样；第二步，将采集到的样本电压或电流值进行等级量化处理，这个过程就是量化；第三步，将等级值变换成对应的二进制表示值（0和1），并进行存储，这个过程就是编码。
3、通过这三个环节，连续的模拟音频信号即可转换成离散的数字信号——二进制的0和1 。
4、图像数字化过程：要在计算机中处理图像，必须先把真实的图像（照片、画报、图书、图纸等）通过数字化转变成计算机能够接受的显示和存储格式，然后再用计算机进行分析处理。
5、图像的数字化过程主要分采样、量化与编码三个步骤。
6、数字音频是指用一连串二进制数据来保存声音信号。
7、这种声音信号在存储和电路传输及处理过程中，不再是连续的信号，而是离散的信号。
8、关于离散的含义，可以这样去理解，比如说某一数字音频信号中，根据A代表的是该信号中的某一时间点a，数据B是记录时间点b，那么时间点a和时间点b之间可以分多少时间点，就已经固定，而不是无限制的。
9、图像数字化是将连续色调的模拟图像经采样量化后转换成数字影像的过程。
10、图像数字化运用的是计算机图形和图像技术，在测绘学与摄影测量与遥感学等学科中得到广泛应用。
11、一般来说，几乎所有的信息最初的采集都是模拟信号。
12、包括数码相机，数码录音笔也是，只不过在这类数码产品中预置了数字编码和压缩芯片，将采集到的模拟信号直接在机内就压缩成数字信号，输出的也直接是数字信号而已。
13、编码：模拟信号转换数字信号的格式，比如录音转换成MP3的压缩制式，标准简单地说，就是这一个模拟信号，在数字信号中应该怎么表示。
14、压缩：就是将模拟信号转换成数字信号。
15、调制：通过非数字传输方式传输数字信号时，需要把数字信号调制到模拟信号中去一并传输。
16、（常见的传输方式中，光纤、微波、LAN都是数字传输方式，而电话线、ADSL、电网线路都是模拟信号传输，同轴电缆是数字模拟同步传输）说得通俗些，就是在模拟网络中，将数字信号搭载到模拟信号中传输。
请简述声音数字化过程及主要参数。
声音数字化过程及主要参数声音数字化是将声波转换成数字信号的过程，它是数字音频技术的基础。
声音数字化技术的发展，为音频录制、处理、存储和传输提供了重要的手段，极大地推动了音频产业的发展。
本文将围绕声音数字化过程及其主要参数展开阐述。
一、声音数字化的过程声音数字化是通过模拟到数字转换器（ADC）实现的。
其基本过程如下：1. 声音采样声音信号是一种连续的模拟信号，要进行数字化，首先需要将其进行采样。
采样是在规定的时间间隔内，对声音信号进行离散取样，获取一系列的采样点。
采样频率是决定声音数字化质量的关键参数，一般情况下，采样频率越高，数字化的声音质量越好，音频的频率响应也越宽。
2. 量化在采样后，需要对采样点的幅度进行量化。
量化是指将连续的信号幅度转换成离散的数字值。
量化的精度决定了数字化声音的分辨率，也就是声音的动态范围。
一般来说，量化位数越多，声音的动态范围越宽，音质也就越好。
3. 编码经过量化后，需要将量化得到的数字值编码成二进制数，以便存储和传输。
编码方式有许多种，常见的有脉冲编码调制（PCM）和压缩编码，其中PCM是最常用的编码方式。
以上三个步骤完成后，声音信号就被数字化了，可以被存储、处理和传输。
二、声音数字化的主要参数声音数字化的质量取决于多个参数，以下是一些重要的参数：1. 采样频率采样频率是指每秒钟采集的采样点数量，它决定了声音信号的频率范围。
常见的采样频率有8kHz、16kHz、44.1kHz、48kHz等，其中44.1kHz和48kHz是CD音质的标准采样频率。
2. 量化位数量化位数是指用来表示采样点幅度的二进制位数，它决定了声音的动态范围。
通常的量化位数有8位、16位、24位等，其中16位是CD 音质的标准量化位数。
3. 编码方式编码方式决定了声音数字化的压缩算法，不同的编码方式对声音质量和文件大小有不同的影响。
PCM编码是无损压缩的编码方式，压缩编码则可以在减小文件大小的同时保持较高的音质。
数字化音频处理
模拟信息与数字信息区别
1.
模拟信息是连续的， 模拟信息是连续的，自然界中的各种信息 都是模拟信息。 都是模拟信息。 数字信息是离散的，由一连串的数字组成， 数字信息是离散的，由一连串的数字组成， 电脑中的所有信息都是数字信息。 电脑中的所有信息都是数字信息。
2.
自然界中的声 音是如何在电 脑中存储和加 工的呢？
5.1.3 声音的数字原理 音频信息数字化原理（图1） 音频信息数字化原理（
采样
5.1.3 声音的数字原理 音频信息数字化原理（图2） 音频信息数字化原理（
量化
隔在模拟音频波形 采样：每隔一个时间间隔在模拟音频波形 上取一个值。 量化：就是把采样得到的瞬时值进行幅度 量化：就是把采样得到的瞬时值进行幅度 离散 。 编码：是根据一定的协议或格式转换比特 编码：是根据一定的协议或格式转换比特 流的过程。
【练习】请计算对于双声道立体声、采样频 率为44.1kHz、采样位数为16位的激光唱盘 （CD-A），用一个650MB的CD-ROM可存放 多长时间的音乐？
解： 已知音频文件大小的计算公式如下： 每秒文件字节数=采样频率（Hz）×采样位数（位）× 声道数/8 根据上面的公式计算一秒钟时间内，采样频率为44.1kHz、采样位 数为16位，双声道立体声激光唱盘（CD-A）的不压缩数据量。 (44.1×1000×16×2)/（8×1024×1024）=0.168MB/s 那么，一个650MB的CD-ROM可存放的时间为 （650/0.168）/（60×60）=1.07小时 答约1个小时即可。
音频的数字化
1.
输入设备——麦克风 输入设备——麦克风 转换设备——声卡 转换设备——声卡 输出设备——音箱 输出设备——音箱 声卡
音频信号的数字化处理技术
音频信号的数字化处理技术摘要：数字处理技术是通过相关载体实现对信号的采集，利用数字化转换实现对信息的针对化读取。
从信号读取形式看，数字处理技术可以有效对含有一定信息属性的文字图片、音视频等进行模拟转变，通过处理器实现对信息的有效录入。
伴随着计算机网络体系的逐步优化，数字信号处理技术的应用范围也随之拓宽，其在运行过程中也不仅仅是对信息进行转变处理，而是通过多途径的应用令技术本体可以在相关领域内实现最大化应用。
关键词：音频信号；数字化；处理技术引言随着科技的不断发展，数字信号处理技术在日常生活中的应用越来越广泛，越来越多地应用于通信、医学、公共交通和工程等领域。
大大提高了处理不同领域信息的能力，从而提高了工作效率。
DSP是将模拟信号转换为所需数字信号的处理器，而处理器的处理速度是衡量数字转换效率的最直接指标。
数字信号技术是一种非常实用的技术，包括数字信号处理的硬件部分、数字信号处理技术的理论部分、软件部分等。
1数字信号的特点数字信号在提取之后，对其进行分析以及处理，将提取内容中有效的信息以及无效的信息进行合理性分离，并且将提取的内容中有效的数据信息进行充分的使用，将其基于信号的形式进行展现，从整体上来提高数字信号的稳定性。
另外，在对数字信号进行处理的过程中，工作人员还要结合信息来源环境的变化，完成对于信息数据的合理化处理，进而做好信息的输出以及输入工作，体现出数字信号的重要价值。
将数字信号传输到数字处理系统中，在此之后根据处理器来完成后续的操作，实现数字信号处理等编程工作内容，另外是在数字信息的处理过程中，专业的数字信号处理技术的处理能力已经达到了一定的水平，这种处理技术能够将处理之后的数字信息基于合理的方式进行储存。
除此之外，数字信号处理技术还可以基于单片的计算机芯片来对数字信号进行合理的处理，使其满足21世纪发展需求。
尤其和其他的处理器相比较，数字信号技术的功能更强，体积更小，这就使数字信号处理技术在不同的领域中都实现了普遍的应用，纷纷体现出了良好的效果。
音频编码和解码的基本原理
音频编码和解码的基本原理在现代信息时代，音频编码和解码是一项重要的技术，它可以将音频信号转换为数字化的数据，从而方便传输、存储和处理。
本文将介绍音频编码和解码的基本原理，并探讨其在数字音频领域的应用。
一、音频编码的基本原理音频编码是将模拟音频信号转换为数字音频信号的过程。
其基本原理可以归纳为以下几个步骤：1. 采样：利用采样定理，将连续的模拟音频信号在时间上进行等间隔的离散采样，得到一系列离散的采样值。
2. 量化：将采样得到的连续值转换为离散值，即将连续的采样值映射到有限数量的离散级别上。
这个过程引入了量化误差，即原始音频信号和量化后的离散值之间的差异。
3. 编码：根据量化后的离散值，采用压缩编码算法将其表示为更紧凑的数字形式。
常用的音频编码算法有PCM、ADPCM、MP3等。
二、音频解码的基本原理音频解码是将数字音频信号转换回模拟音频信号的过程。
其基本原理如下：1. 解码：将经过编码的数字音频信号转换为量化后的离散值。
2. 逆量化：将离散值转换回连续的采样值，恢复量化过程中引入的误差。
逆量化算法与量化算法是相反的操作。
3. 重构：根据逆量化得到的采样值，利用重构滤波器进行插值和滤波操作，得到模拟音频信号。
三、音频编码和解码的应用音频编码和解码技术在现代的数字音频领域中得到了广泛的应用。
以下是几个常见的应用场景：1. 音频压缩：通过高效的音频编码算法，将音频信号压缩成更小的文件大小，方便存储和传输。
MP3、AAC等音频格式就是通过音频编码技术实现的。
2. 音频传输：在网络通信中，音频编码和解码可以实现音频数据的传输，包括实时语音通话、音频直播等应用。
3. 音频存储：将音频信号以数字化的形式存储在计算机或其他设备上，方便后续的管理、编辑和播放。
4. 音频处理：对音频信号进行降噪、去混响、均衡等处理，提升音质和用户体验。
综上所述，音频编码和解码技术是现代数字音频领域中不可或缺的基础技术。
它们通过将模拟音频信号转换为数字形式，实现了音频数据的高效传输、存储和处理，为我们带来了丰富多样的音频体验。
数字信号处理技术在音频处理中的应用
数字信号处理技术在音频处理中的应用随着数字化的普及，人们对音频处理的需求也越来越高。
在这种背景下，数字信号处理技术的应用日趋广泛。
数字信号处理技术是利用计算机对数字信号进行处理的一种技术。
它可以对各种形式的数字信号进行采样、数字化、压缩、编码、滤波、分析、处理等操作，从而实现对音频信号的处理和改变。
本文将从以下几个方面详细探讨数字信号处理技术在音频处理中的应用。
一、数字信号处理在音频采样中的应用音频采样是指将声音信号转化为数字信号的过程。
数字信号处理技术可以对采样的音频信号进行精密处理，从而满足不同领域的需求。
比如，在工业领域，数字信号处理技术可以对工厂中的各种声音进行采集，从而实现对机器设备的状态监测。
而在娱乐领域，则可以利用数字信号处理技术对音乐进行数字化处理，实现对音频的高品质处理。
二、数字信号处理在音频滤波中的应用音频滤波是指将原始信号中的某些频率成分滤除或加强的过程。
数字信号处理技术可以对音频进行数字化滤波处理。
利用数字滤波器的滤波算法，可以通过对频域的分析和处理，实现滤波效果的优化。
比如，在语音识别领域，数字信号处理技术可以对语音信号进行数字化滤波，从而提升识别率。
三、数字信号处理在音频编解码技术中的应用音频编解码技术可以将音频信号进行数字化压缩或解压缩。
数字信号处理技术通过对音频信号进行数据压缩，可以实现对音频数据传输的效率和容量的提升。
比如，在传输音频数据时，数字信号处理技术可以利用压缩算法对数据进行压缩，从而节省传输带宽和存储空间。
四、数字信号处理在音频特效中的应用音频特效是指对音频信号进行特殊处理，使其产生不同的音效。
数字信号处理技术可以实现各种音效的数字化处理。
通过对音频进行数字信号处理，可以实现音效的精细调节和处理，从而达到更好的音效效果。
比如，在音乐制作领域，数字信号处理技术可以对音乐进行数字化处理，实现包括增益、音调、失真、滤波等各种音效效果。
综上所述，数字信号处理技术的应用范围非常广泛，在音频处理中有着不可替代的重要作用。
语音信号数字化
语音信号数字化语音信号是模拟信号，其频率为300 Hz～3.4 kHz。
原始语音信号如图2-1所示。
要将语音信号在数字传输系统中进行传递，就必须使模拟的语音信号数字化。
语音信号数字化是进行数字化交换和传输的基础。
语音信号数字化的方法有很多，用得最多的是PCM。
PCM是将模拟信号数字化的取样技术，它可将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。
在PCM传输系统中，发送端的模拟语音信号经声/电转换成模拟电信号，根据采样定理（采样过程所应遵循的规律，又称抽样定理、取样定理）对模拟电信号进行取样，取样之后进行幅度量化，最后进行二进制编码。
经过抽样、量化和编码3个模数变换（A/D）过程，模拟电信号变成一连串二进制PCM数字语音信号，进入传输线路进行传输，传输至接收端后，PCM数字语音信号经过模数反变换（D/A）还原为模拟信号，再由低通滤波器恢复出原始的模拟语音信号，就完成了语音信号的数字化传输，如下图所示。
PCM过程的各阶段语音信号波形如下图所示。
1.抽样抽样又称采样，是指在时间轴上等距离地在各取样点取出原始模拟信号的幅度值。
1928年，美国电信工程师H.奈奎斯特（H.Nyquist）提出了采样定理。
采样定理说明了采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。
采样定理为采样频率建立了一个足够的条件，该采样频率允许离散采样序列从有限带宽的连续时间信号中捕获所有信息。
（1）奈奎斯特采样定理。
在进行模/数转换过程中，当采样频率fs大于或等于信号中最高频率fmax的2倍时，采样之后的数字信号会完整保留原始信号的全部信息。
一般实际应用中保证fs为fmax的2.56～4倍。
（2）语音信号抽样。
由采样定理可知，当满足奈奎斯特采样定理条件时，在接收端只需经过一个低通滤波器就能够还原成原模拟信号。
这一过程称为脉冲振幅调制(pulse amplitude modulation，PAM)。
取样后的信号称为脉冲振幅调制信号。
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5.采样频率
目前常用的音频采样频率有48kHz，44.1kHz，32kHz， 96kHz，192kHz……
音频信号的采样频率选取原则 1. 音频信号的最高频率 2. 防混叠低通滤波器的截止特性 3. 以录像机作为记录设备时，便于形成伪视频信号。
量化
量化：把幅度上连续变化的样本值离散化，变换为有限 个样本值。
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1.采样定理
采样又称取样或抽样，是指每隔一定的时间间隔，抽取信号 的一个瞬时幅度值。这样就把时间上连续变化的无限个样值 变成离散的有限个样值的过程。
vI(t)
vI’ (t)
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0
t
0
t
vS
0
t
TS
脉冲序列的采样频率fs (sampling rate) ，即每秒钟采样的次数。 采样时间 采样后得出的一系列在时间上离散的样本值称为样值序列。
比特： 用高、低两种电平表示脉冲序列中的基本单元
字节： 一个字节等于8位二进制
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2.2音频信号的数字化
ADC（A/D） Analogue Digital Conversion模数变化，用一系 列数码来代替连续变化的声音
音频信号的数字化
采样（SAMPLING）
1. 采样定理 2. 混叠失真与限带滤波 3. 采样保持电路 4. 采样脉冲宽度与孔径效应 5. 采样频率
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级联积分式A/D转换器
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为了防止产生混叠失真,当采样频率确定后,必须限制原模 拟信号的上限频率。因此，一般在采样之前设置一个低 通滤波器，滤除高于fs/2的频率，这一低通滤波器也叫防 混叠滤波器。
相应的，在D/A转换器之后要设置内插低通滤波器（防 镜像滤波器），以滤除多余的高频分量，只把原信号取 出来。
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第二章 音频信号的数字化
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2.1音频信号数字化的优势
音频信号数字化后可以避免模拟信号容易受噪声和干 扰的影响
可以扩大音频的动态范围 可以利用计算机进行数据处理 节省存储空间和成本 易于加密处理 可以不失真的远距离传输 可以与图像、视频等其他媒体信息进行多路复用，以
实现多媒体化和网络化
均匀量化的量化误差的最大绝对值为△/2
量化位数与最大量化信噪比之间的关系：
S/N=6.02N+1.76 dB
每增加一个量化比特，信噪比提高6dB.
编码
将量化后的数值用二进制码表示，这一过程称为编码。
最简单的编码方式是二进制编码，用n比特二进制码 来表示已经量化了的样本值，每个二进制数对应一个 量化电平。
理想的滤波器 a) 平坦的通带 b) 陡直的滤波特性 c) 无穷大的阻带衰减
实际的滤波器 a) 通带不是完全平坦 b) 有比较温和的过渡带下降
所以采样频率应稍大于信号最高频率 fs ＝ (2.1-2.5)fm
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3.采样保持电路（S/H）
完成采样和保持功能的电路。
保持功能是为了在对采样点量化 的这段时间内将采样值保持不变。
采样阶段：开关闭合时，输入电压对 电容充电，同时直接作为输出电压 保持阶段：开关断开后，用电容器上 所充的电荷使输出电压保持开关断开 前的电压。
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采样保持电路的主要参数 1. 失调误差
主要发生在输入/输出缓冲放大器处 2. 捕捉时间
需要小电容
取样命令发出时刻到得到样值的时刻的时间间隔 3. 平顶降落
量化精度（RESOLUTION）
f t V 1.461.5 1.521.5
1 .5
1 .4
量化级数 M
1 .3
1.221.2
量化位数（比特数）n
1 .2 1 .1
1 .0
0.870.9
0.890.9
M2n
0 .9 0 .8
0 .7
0.460.5
0 .6 0 .5
0.340.3
0 .4
0.220.2
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本节学习目标： 熟悉音频信号数字化的过程。 掌握均匀量化的原理。 理解“量化”是数字音频信号产生失真的主要根源。 掌握量化信噪比与量化比特数之间的关系。 熟悉常见的音频信号采样频率及量化精度。
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音频信号的数字化
数字化： 将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号（脉冲 编码调制，PCM） 采样：每隔一定时间抽取一个样本 量化：用有限长数字量逼近模拟量 编码：量化的数字变成二进制数码
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通过脉冲的 “1”和“0”表现调制信号的大小， 完成PCM的过程。
量化级数
二进制等效数字
脉冲编码波形
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0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110
15
1111
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需要大电容
由于电容电荷的泄露，使得保持的样值产生下降
常使用聚丙烯和聚四氟乙烯制作的高品质电容（反应速度快，电荷持久）
4.采样脉冲宽度与孔径效应
由于采样信号并非理想的冲击序列，而是有一定宽度 的脉冲信号，所以会使恢复的模拟信号的高频特性产 生失真，这种效应称宽度为采样周期的1/4时，孔径效应就可以忽 略了。
总结PCM的三个步骤
1. 采样：时间离散化 2. 量化：幅值离散化 3. 编码：数值二值化
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2.3 A/D转换器
对数字音频来说，A/D转换器的性能对音质具有决定 性的影响
数字音频系统中常用的A/D转换器有 逐次比较式 级联积分式 过采样式
逐次比较式A/D转换器
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逐次比较式A/D转换器
量化步长
0 .3
0 .2 0 .1
0.060.1
ba
TS
M
量化级数越大，量化位数越多， 量化步长越小。
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量化误差（量化噪声）
量化误差即为采样值与量化值之间的差值。
任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出的。 量化误差在信号中表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所
以也被称为量化噪声。
量化位数越多，量化误差（失真）越小。
采样频率要大于或等于被采样信号最高频率的2倍， 就可以无失真地恢复出原始的模拟信号。
fs ≥ 2fm。
否则，采样后的信号频谱会发生混叠现象。
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2.混叠失真与限带滤波
不满足采样定理的条件，采样后的信号就会发生频谱 混叠现象，从而产生频谱混叠失真。
混叠后，信号的高频成分会抬升，导致频率失真