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第九课：数字音频技术 什么是数字音频? 计算机数据的存储是以0、1的形式存取的，那么数字音频就是首先将模拟音频文件转化，接着再将这些电平信号转化成二进制数据保存，播放的时候就把这些数据转换为模拟的电平信号再送到喇叭播出，实际就是转换和逆转换。数字声音和一般磁带、广播、电视中的声音就存储播放方式而言有着本质区别。相比而言，它具有存储方便、存储成本低廉、存储和传输的过程中没有声音的失真、编辑和处理非常方便等特点。关于数字音频的基本知识：　　采样率：简单地说就是通过波形采样的方法记录1秒钟长度的声音，需要多少个数据。44KHz采样率的声音就是要花费44000个数据来描述1秒钟的声音波形。原则上采样率越高，声音的质量越好。　　压缩率：通常指音乐文件压缩前和压缩后的比值，用来简单描述数字声音的压缩效率。　　比特率：是另一种数字音乐压缩效率的参考性指标，表示记录音频数据每秒钟所需要的平均比特值（比特是电脑中最小的数据单位，指一个0或者1的数），通常我们使用Kbps(通俗地讲就是每秒钟1000比特)作为单位。CD中的数字音乐比特率为1411.2Kbps（也就是记录1秒钟的CD音乐，需要1411.2×1024比特的数据），近乎于CD音质的MP3数字音乐需要的比特率大约是112Kbps～128Kbps。　　量化级：简单地说就是描述声音波形的数据是多少位的二进制数据，通常用bit做单位，如16bit、24bit。16bit量化级记录声音的数据是用16位的二进制数，因此，量化级也是数字声音质量的重要指标。我们形容数字声音的质量，通常就描述为24bit（量化级）、48KHz采样，比如标准CD音乐的质量就是16bit、44.1KHz采样。 模拟信号的数字化（模数转换） 大家知道，无论现在的多媒体电脑功能如何强大，其内部也只能处理数字信息。而我们听到的声音都是模拟信号，怎样才能让电脑也能处理这些声音数据呢？还有，究竟模拟音频与数字音频有什么不同呢？数字音频究竟有些什么优点呢？这些都是我们下面所要介绍的。 常见A/D（模拟/数字）信号的转换主要方式为：采样、量化、编码。 把模拟音频转成数字音频，在电脑音乐里就称作采样，其过程所用到的主要硬件设备便是模拟/数字转换器（Analog to Digital Converter，即ADC）。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成许多称作“比特（Bit）”的二进制码0和1，这些0和1便构成了数字音频文件。如下图，图中的正弦曲线代表原始音频曲线；填了颜色的方格代表采样后得到的结果，二者越吻合说明采样结果越好。 上图中的横坐标便是采样频率；纵坐标便是采样分辨率。图中的格子从左到右，逐渐加密，先是加大横坐标的密度，然后加大纵坐标的密度。显然，当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小，则越有利于保持原始声音的真实情况，换句话说，采样的频率越大则音质越有保证；同理，当纵坐标的单位越小则越有利于音质的提高，即采样的位数越大越好。有一点请大家注意，8位（8Bit）不是说把纵坐标分成8份，而是分成2^8＝256份；同理16位是把纵坐标分成2^16＝65536份；而24位则分成2^24。现在我们来进行一个计算，看看一个数字音频文件的数据量到底有多大。假设我们是用44.1kHz、16bit来进行立体声（即两个声道）采样，即采样成标准的CD音质（也称作红皮书音频）。那么就是说，一秒钟内采样44.1千次，每次的数据量是16×2＝32bit（因为立体声是两个声道）。而大家知道，一个字节（Byte）含有8个位（Bit），那么一秒钟内的数据量便是44.1k×32bit /（8bit / Byte）＝176.4 kByte。一个汉字在电脑里占用两个字节，那么176.4kB的空间可以存储 176.4k / 2=88200个汉字，也就是说一秒钟的数字音频数据量与近九万个汉字（一部中篇小说）的数据量相当。由此可见，数字音频文件的数据量是十分庞大的。 也许有人会问，为什么要把CD音质的采样频率规定成44.1kHz而不是其他的频率呢？这个问题问得好。44.1kHz意味着每秒采样四万多下，这会不会太多了点呢？究竟每秒采样多少次才算合理呢？大家请看下图。图中，上半部分表示原始音频的波形；下半部分表示录制后的波形；红色的点表示采样点 一个常见的低频失真的例子便是电影上车辆行驶时车轮转动的情况（一个典型的“马车轮”效应的例子）。你也许早已发现，飞快转动的车轮有时看起来似乎是静止不动甚至会向反方向转动（类似的情况也发生在直升飞机的翼片和螺旋浆上面）。 关于合理的采样频率这一问题在Nyquist（奈奎斯特）定