数字音频技术基础.

《数字音频技术基础.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字音频技术基础.（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、数字音频技术基础 1 音频的基础知识音频的基础知识 二、 音频信号的数字处理 四、 数字音频的压缩标准 一、 声音信号的基本特点 三、 音频文件的常见格式 五、 数字音频接口技术 音频的基础知识 2 一、声音信号的基本概念、特点 声音是通过一定介质传播的一种连续波-正弦波 振幅：音量的大小 周期：重复出现的时间间隔（s） 频率：指信号每秒钟变化的次数(Hz) t 振幅 周期 A 声波声波 重要重要 指标指标 图1-1 声波传播状态的信号波形 音频的基础知识 3 声音按频率分类： 次声波可听声波超声波 20Hz20kHz f(Hz) 人类说话声音频率范围：300Hz-3kHz 声音质量的频率范围

2、： 10 20 50 200 3.4k 7k 15k 20k CD-DA FM广播 AM广播 电话 f(Hz) 频带频带 0120 dB telephone Amplitude modulation调幅 Frequency modulation调频 CD光盘、DAT数字录音带 音频的基础知识 4 声音质量和数据率： 这4个等级中，使用的采样频率、样本精度、通道数和数据 率如下表示： 质量 采样频率 (kHz) 样本精度 (bit/s) 单道声/ 立体声 数据率(kB/s) (未压缩) 频率范围 电话*88单道声82003 400 Hz AM11.0258单道声11.0 2015 000HzFM

3、22.05016立体声88.2 507 000Hz CD44.116立体声176.42020 000 Hz DAT4816立体声192.02020 000 Hz 音频的基础知识 5 声音信号的基本特点 t 振幅 周期 A 声波声波 声音：一般由空气的振动传到人的耳朵形成，即是靠空 气的疏密波动传播的。 音频的基础知识 6 声音信号的基本特点 u 声音的种类（9种）： 纯音: 轻敲音叉所发出的一种单一频率的正弦波声音 复合音: 包含两个以上纯音的声音 音频的基础知识 7 声音信号的基本特点 基本音: 周期性的复合音与周期相同的声音或非周期性的复合 音中最低频率的声音 谐波: 又称倍音，具有周期性

4、的复合音中，除基本音以外，与 基本音成整数倍的声音 单音: 一个基本音与其整数倍的谐波组成的声音 谐和音: 在单音的混合声中，其倍频音相等的声音 噪音: 无规律（非周期性）的声音 白噪音: 在宽广的频率范围内能量分布均匀的声音 黑噪音: 在对信号的处理时，以某些声音为对象时，该声 音以外的声音 音频的基础知识 8 声音信号的基本特点 u声音的三要素： 声调（Pitch音调） 响度（Loundness） 音色（Timbre） u表示声音性质的基本因素 声强是以正常听觉的人所能听到的最小声压（0.00002Pa ）为基准，此时的声强作为0dB，0dBSPL=210-5Pa 这是1kHz的最小可听值

5、 音频的基础知识 9 波形声音实际上已经包含了所有的声音形式，它可 以把任何声音都进行采样量化，并恰当地恢复出来。 1).声音信号的类型 模拟信号(自然界、物理) 数字信号(计算机) u图1-6 模拟信号的数字处理过程示意 音频的基础知识 10 二、音频信号的数字处理 二、音频信号的数字处理 u模拟音频信号的特点： 模拟信号具有直观、形象的特点 是在时间轴上连续的信号，可以用它的某些参数去模 拟其数值的大小 模拟信号精度低，表示的范围小，且容易受到干扰 音频的基础知识 11 u数字信号的特点 代表信息的物理量以一系列数据组的形式来表示，它在时间 轴上是不连续的。 数字信号只有两种状态，即 0

6、或 1 ，这样单个信号本身的 可靠性大为改善，而多个信号的组合数又几乎不受限制。 数字信号具有较强的抗干扰能力，数字信号的波形简单，物 理上容易实现，便于存储、延迟和变换。 数字信号受干扰易修复，并且经过处理、变换或传输后干扰 杂波不会积累 二、音频信号的数字处理 音频的基础知识 12 2).声音数字化过程 采样量化编码 模拟信号数字信号 模拟信号数字信号 A/D ADC D/A DAC u音频信号的A/D和D/A变换： A/D变换 模拟信号变换成数字信号 D/A变换 数字信号转换为模拟信号 图1-10 模拟信号的数字处理过程 声音是如何数字化的呢？ 音频的基础知识 13 数字音频可分为波形声

7、音、语音和音乐 。 连续的模拟声音信号声音信号的采样 离散的音频信号 顺序顺序 3).声音数字化过程图示 音频的基础知识 14 图1 图2 图3 （1）采样：以恒定的频率在时间轴上对模拟信号离散 的进行采样 音频信号的数字处理 u 直观、形象 u 模拟信号精度低，表示的范围小，且容易受到干扰 音频的基础知识 15 音频信号的数字处理 （2）量化 u 采样只是在时间上实现了离散化。其音频脉冲信号的 幅度仍然是模拟的，因此，还必须对幅度进行离散化处 理，这个过程称为量化。 u量化的过程如下： 音频的基础知识 16 音频信号的数字处理 （3）编码 u编码：采样和量化之后的音频信号还必需转换为数字 编

8、码脉冲才是数字信号，这一转换过程称为编码。最简 单的编码方式是二进制编码。就是用n比特二进制码来 表示已经量化了的采样值，每个二进制数对应一个量化 值，然后把它们排列，得到由二值脉冲组成的数字信息 流。 音频的基础知识 17 （3）量化噪音：在量化时忽略的信号实际值与量化值之间存 在偏差，是由量化编码的位数决定，它也决定了量化的精度 音频信号的数字处理 量化级差越小，就越能对信号进行精确的还原、转换 16位量化（2的16次 方=65536级宽度 ）一般可以达到消除 量化噪声的要求 音频的基础知识 18 （4）动态范围：指噪声电平（最小信号电平）和最 大不失真信号电平之间的范围 u 音频信号在动

9、态范围内可得到不失真的正常传 输 u 动态范围越大，信号强度的相对变化范围越大 ，音响效果越好 音频信号的数字处理 16位量化时动态范围可达98dB 音频的基础知识 19 动态范围 = 6N+1.8 (dB) 。 N-量化位数 4).声音数字化三要素 采样频率量化位数声道数 每秒钟抽取声波 幅度样本的次数 每个采样点用多少二 进制位表示数据范围 使用声音通道的 个数 采样频率越高 声音质量越好 数据量也越大 量化位数越多 音质越好 数据量也越大 立体声比单声道 的表现力丰富， 但数据量翻倍 11.025kHz 22.05 kHz 44.1 kHz 8位256 个值 16位65536个值 单声道

10、 立体声 声音的数字化 音频的基础知识 20 数据量采样频率量化位数声道数/8(字节/秒) 5).声音数字化计算公式 采样频率 (kHz) 量化位数 (bit) 数据量(KB/s) 单声道立体声 11.025810.7721.53 1621.5343.07 22.05821.5343.07 1643.0786.13 44.1843.0786.13 1686.13172.27 理 解 压 缩 音频的基础知识 21 (1) WAV文件 WAV是Microsoft/IBM共同开发的PC波形文件 。因未经压缩，文件数据量很大。 特点：声音层次丰富，还原音质好。 （2）MP3文件 MP3(MPEG Au

11、dio layer 3)是一种按MPEG标准 的音频压缩技术制作的音频文件。 特点：高压缩比(11:1)，优美音质。音质还原较好 。 三、音频文件的常见格式 音频的基础知识 22 音频文件格式简介 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,相同的音质，与其兼容。 （3）WMA文件 （4）MIDI文件 MIDI(Musical Instrument Digital Interface 乐器 数字接口的国际标准)是由一组声音或乐器符号的集 合。（非数字化声音 非波形文件） 特点：数据量很小，缺乏重现自然音。（

12、依赖硬件） 音频的基础知识 23 音频文件格式简介 *.RA、*.RM、*.RAM 这些文件格式是Real文件的主要格式，可以随网络带 宽的不同而改变声音的质量，在保证大多数人听到流畅声 音的前提下，另带宽较充裕的听众获得较好的音质 音频的基础知识 24 常用的音频文件格式： 音频文件格式简介 *.ASF、*.ASX 、*.WMA、*.WAX ASF和WMA是Microsoft公司针对Real公司开发的新 一代网上流式数字音频压缩技术。这种压缩技术同时兼顾了 保真度和网络传输的需求，具有一定的先进性 CD-DA CD-DA是数字音频光盘Compact Disc Ditigal Audio 的英

13、文缩写，这种音乐格式在我们的日常生活中十分常见，它 的数字化音频效果完全能够再现原始的声效且文件小 MD MD是MiniDisc的简称，是SONY公司推出的一种便携 式音乐格式。具有很强的编辑功能。用户可以快速完成选曲 、编曲等基本编辑操作，极具个性化。目前流行的MD汽车 音响、MD随身听等都是采用这种音乐格式 音频的基础知识 25 音频文件格式简介 音频文件格式简介 *.MID、*.RMI、*.CMF、*.RCP 这些文件格式属于MIDI文件范畴，这类文件主要应用于计 算机音乐创作，用户可以通过专业的音频创作软件实现谱曲， 或直接通过声卡MIDI接口将外部音序器演奏的乐曲输入到计算 机中完成

14、音乐创作 MOD MOD的结构类似于MIDI，是一种类似于波表的音乐格式 ，常用于游戏的背景音乐 音频的基础知识 26 uMIDI技术 利用数字信号处理技术合成的音效有： 模仿钢琴、小提琴、吉他等音色 超越时空的太空音乐。 MIDI是一种利用合成器产生的音乐技术。 Musical Instrument Digital Interface译为乐器数字接口。 MIDI是各种电子音乐设备之间以及 与计算机交换信息的国际标准。 (Yamaha,Roland) 音频的基础知识 27 uMIDI基本简介 MIDI仅仅是一个通信标准，它是由电子乐器制 造商们建立起来的，用以确定电脑音乐程序、合成 器和其他电

15、子音响的设备互相交换信息与控制信号 的方法。 MIDI系统实际就是一个作曲、配器、电子模拟 的演奏系统。从一个MIDI设备转送到另一个MIDI设 备上去的数据就是MIDI信息。MIDI数据不是数字的 音频波形，而是音乐代码。 用于连接各种MIDI设备所用的电缆为5芯电缆 ，通常人们也把它称为MIDI电缆。 音频的基础知识 28 对声音的抽象化(即符号化)表示包括两种类型 ： v一种是音乐v一种是语音 MIDI消息就是乐谱的数字描述。 与波形声音相比，MIDI数据不是声音而是指令，所以它 的数据量要比波形声音少得多。 半小时的立体声16位高品质音乐，如果用.WAV波形文件 无压缩录制，约需300

16、MB的存储空间。而同样时间的MIDI 数据大约只需200KB，两者相差1500倍之多。 由于音乐完全可用符号来表示，所以音乐可看作 是符号化的声音媒体。 uMIDI与音乐合成 音频的基础知识 29 uMIDI标准 MIDI硬件规范：硬件接口标准和信号传输机制(I/O 通道类型、连接电缆和插座形式)。 MIDI软件规范：音乐信息数字化编码方式(音符、音 符长短、音调和音量等)。 原声钢琴8分音符的C3音：00 00 60 钢琴音色编号 音符C3编号 8分音符编号 当一组MIDI信息通过音乐合成 器演奏时，合成器将解释这些符 号并产生音乐。 音频的基础知识 30 uMIDI合成方式 调频合成法FM 原理：利用傅立叶级数进行分解。 特点：系统开销小，声