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第3章 数字音频基础 学习目标 理解声音的数字化的过程 掌握数字化过程中的一些重要概念：采样频率、量化精度（位数）、量化噪声、动态范围等 掌握计算音频文件数据量的方法。 了解常见的音频格式及其特点。 了解声卡的构造及工作原理 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。 二、 影响数字音频质量的技术参数 对模拟音频信号进行采样量化编码后，得到数字音频。数字音频的质量取决于采样频率、量化位数和声道数三个因素。 1) 采样频率 采样频率是指一秒钟时间内采样的次数。采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奈奎斯特理论，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. 三、 数字音频文件的存储量 以字节为单位，模拟波形声音被数字化后音频文件的存储量(假定未经压缩)为： 例如，用44.1KHz的采样频率进行采样，量化位数选用16位，则录制1秒的立体声节目，其波形文件所需的存储量为： 44100×16/8×2×1=176400(字节B) 四、比特率（传码率） 比特率，或传码率，是指每秒传送的比特(bit)数。单位为 bps (Bit Per Second)。 比特率越高，传送的数据越大，音质越好。 计算方法：I=b*f*s CD的比特率为1.4Mb/s MP3：112~128kb/s 128Kb/s为手机立体声MP3播放器最佳设定值、低档MP3播放器最佳设定值 二、声卡的工作原理： 录制声音需要进行多步操作，麦克风将空气中的声压变化转换为模拟信号。经声卡放大后数字化，生成的数据流由软件处理为标准文件格式(如WAV)，然后保存到硬盘。 播放音乐是声音的回放过程，即录制声音的逆过程。 三、声卡的结构和组成 * 第1节 声音的数字化 模拟音频信号 采样 量化 编码 压缩 音频文件 数字音频获取过程： 音频数据采样、离散、量化过程 　　(a)划分为8个量化级的示意 (b)按采样周期切割过程示意 (c)对采样点进行离散化示意 　　(d)量化过程示意 001 011 101 110 111 101 100 010 001 001 000 000 7 6 5 4 3 2 1 0 经过离散并且量化的音频信号，在完成量化后，就可以对其点进行编码。8级量化点，可用3位二进制数来表示，如图中的量化点，其值编码分别为001、011、101、110、111、101、100、010、001、001、000、000。 奈奎斯特理论：采样频率应该大于或等于声音信号最高频率的两倍就能把以数字表达的声音还原成原来的声音，满足这个条件的数字化即称为无损数字化。 　　fs≥2×fmax 例如，如果某声音信号最高频率约为3.4kHz，则采样频率取为8kHz是合适的。 常用的采样频率： 8kHZ(电话质量);11.025kHZ(AM); 22.05kHZ(FM);44.1kHZ(CD质量). 2) 量化位数 量化位数也称“量化精度”，是描述每个采样点样值的二进制位数。例如，8位量化位数表示每个采样值可以用28即256个不同的量化值之一来表示，而16位量化位数表示每个采样值可以用216即65536个不同的量化值之一来表示。常用的量化位数为8位、12位、16位。 量化噪声是指某个采样时间点的模拟值和最近的量化值之间的差。误差最大可以达到离散间距的一半。 量化位数越大，量化噪声越小。 采样与量化过程示例 以图所示的原始模拟波形为例进行采样和量化。假设采样频率为1000次/秒，即每1/1000秒A/D转换器采样一次，其幅度被划分成0?9共10个量化等级，并将其采样的幅度值取最接近0 ? 9之间的一个数来表示，如图所示。图中每个长方形表示一次采样。 当D/A转换器从图4-2得到的数值中重构原来信号时，得到图4-3中蓝色(直线段)线段所示的波形。从图中可以看出，蓝色线与原波形(红色线)相比，其波形的细节部分丢失了很多。这意味着重构后的信号波形有较大的失真。 左图为采样率2000Hz，量化等级为20的