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1、回顾与补充：回顾与补充：音频信号的数字化及压缩音频信号的数字化及压缩技术技术4.0.1 4.0.1 模拟音频的数字化过程模拟音频的数字化过程 数字化的声音易于用数字化的声音易于用计计算机算机软软件件处处理，理，现现在几乎所有的在几乎所有的专专业业化声音化声音录录制、制、编辑编辑器都是数字方式。器都是数字方式。对对模模拟拟音音频频数字化数字化过过程程涉及到涉及到音音频频的采的采样样、量化量化和和编码编码。 采采样样和量化的和量化的过过程可由程可由A/DA/D转换转换器器实现实现。A/DA/D转换器以固定的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。经采样和量化频率去采样，即每个周期测
2、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。文件。 信息论的奠基者香农（信息论的奠基者香农（ShannonShannon）指出：）指出：在一定条件下，用在一定条件下，用离散的序列可以完全代表一个连续函数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，这是采样定理的基本内容。内容。 为实现为实现A/DA/D转换，需要转换，需要把模拟音频信号波形进行分割，这种把模拟音频信号波形进行分割
3、，这种方法称为采样方法称为采样(Sampling)(Sampling)。采样的过程是每隔一个时间间隔在。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，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。率。采样频率是指计算机每秒钟采集多少个声音样本。 1. 1. 采样采样 采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奈奎斯特采样频率与声音频率之间有一定的关系，根据奈奎斯特（NyquistNyquist）理
4、论，）理论，只有采样频率高于声音信号最高频率的两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。倍时，才能把数字信号表示的声音还原成为原来的声音。 采样只解决了音频波形信号在采样只解决了音频波形信号在时间坐标时间坐标(即横轴即横轴)上把一个波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。我们把音量的高低。我们把对声波波形幅度的数字化表示称之为对声波波形幅度的数字化表示
5、称之为“量量化化”。 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? 我们还是采取二进我们还是采取二进制的方式，以位制的方式，以位(bit)或或16位位(bit)的方式来划分纵轴。也就是说的方式来划分纵轴。也就是说在一个以在一个以8位为记录模式的音效中，其纵轴将会被划分为位为记录模式的音效中，其纵轴将会被划分为8个量个量化等级，用以记录其幅度大小。化等级
6、，用以记录其幅度大小。2. 量化量化 以下图所示的原始模拟波形为例进行采样和量化。假设采样以下图所示的原始模拟波形为例进行采样和量化。假设采样频率为频率为1000次次/秒，即每秒，即每1/1000秒秒A/D转换器采样一次，其幅度被转换器采样一次，其幅度被划分成划分成0到到9共共10个量化等级，并将其采样的幅度值取最接近个量化等级，并将其采样的幅度值取最接近0 9之间的一个数来表示，如下图所示。图中每个正方形表示一次之间的一个数来表示，如下图所示。图中每个正方形表示一次采样。采样。 D/A转换器从上图得到的数值中重构原来信号时，得到下转换器从上图得到的数值中重构原来信号时，得到下图中蓝色图中蓝色
7、(直线段直线段)线段所示的波形。从图中可以看出，蓝色线线段所示的波形。从图中可以看出，蓝色线与原波形与原波形( (红色线红色线) )相比，其波形的细节部分丢失了很多。这意相比，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。味着重构后的信号波形有较大的失真。 失真在采样过程中是不可避免的，如何减少失真呢？可以直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，以得到更高的量化采用更高的采样频率。同时，增加量化精度，以得到更高
8、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，分别为级均提高了一倍，分别为2000次次/秒和秒和20个量化等级。在下图（右）个量化等级。在下图（右）中，采样率和量化等级再提高了一倍，分别达到中，采样率和量化等级再提高了一倍，分别达到4000次次/秒和秒和40个个量化等级。从图中可以看出，当用量化等级。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。（图中的轮廓线），信号的失真明显减少，信号质量得到了提高。3. 3. 编码编码 模拟信
9、号量经过采样和量化以后，形成一系列的离散信号模拟信号量经过采样和量化以后，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已一定的方式进行脉冲数字信号。这种脉冲数字信号可以已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，形成计算机内部运行的数据。所谓编码，就是按照一定编码，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。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，时，可以根据所记录的纠错数
10、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。如在一定范围内有错，可加以纠正。 编码的形式比较多，常用的编码方式是编码的形式比较多，常用的编码方式是PCM脉冲调制。脉冲调制。脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）是把模拟信号变换为数字信号的一种调）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。散的量，然后将其转化为代码形式传输或存储。4.0.2 音频信号压缩技术音频信号压缩技术 音频信号压缩编码的主要依据是人耳的听觉特性，主音频信号压缩编码的主
11、要依据是人耳的听觉特性，主要有两点：要有两点： 1.人的听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个人的听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个电平的声音信号人耳听不到电平的声音信号人耳听不到 .2.人的听觉存在屏蔽效应。当几个强弱不同的声音同时人的听觉存在屏蔽效应。当几个强弱不同的声音同时存在时，强声使弱声难以听到，并且两者之间的关系存在时，强声使弱声难以听到，并且两者之间的关系与其相对频率的大小有关与其相对频率的大小有关 . 声音编码算法就是通过这些特性来去掉更多的冗余声音编码算法就是通过这些特性来去掉更多的冗余数据，来达到压缩数据的目的。数据，来达到压缩数据的目的。 （一）（一） 脉冲编码调
12、制脉冲编码调制 1编码的原理编码的原理 它的原理框图下图所示它的原理框图下图所示 模拟信号数字化一般有三个步骤：模拟信号数字化一般有三个步骤：第一步是采样第一步是采样，就是每隔一段时间间隔读一次声音的幅度；就是每隔一段时间间隔读一次声音的幅度；第二步第二步是量化是量化，就是把采样得到的声音信号幅度转换成数，就是把采样得到的声音信号幅度转换成数字值。但那时并没有涉及如何进行量化。量化有好字值。但那时并没有涉及如何进行量化。量化有好几种方法，但可归纳成两类：一类称为几种方法，但可归纳成两类：一类称为均匀量化均匀量化，另一类称为另一类称为非均匀量化非均匀量化。采用的量化方法不同，量。采用的量化方法不
13、同，量化后的数据量也就不同。因此，可以说量化也是一化后的数据量也就不同。因此，可以说量化也是一种压缩数据的方法；种压缩数据的方法；第三步是编码第三步是编码，就是按一定格，就是按一定格式记录采样和量化后的数据。式记录采样和量化后的数据。 2均匀量化均匀量化 采用相同的采用相同的“等分尺等分尺”来度量采样得到的幅度，也称为线来度量采样得到的幅度，也称为线性量化，如图性量化，如图3-43-4所示。量化后的样本值所示。量化后的样本值Y Y和原始值和原始值X X的差的差 E=Y-X E=Y-X称为量化误差或量化噪声。称为量化误差或量化噪声。 3非均匀量化非均匀量化 对输入信号进行量化时，大的输入信号采用
14、大的量化间隔，对输入信号进行量化时，大的输入信号采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔，如图小的输入信号采用小的量化间隔，如图3-5所示。 一个一个CDDADA采用脉冲编码调制采用脉冲编码调制PCM编码的实例编码的实例 首先用一组脉冲采样时钟信号与输入的模拟音频信号首先用一组脉冲采样时钟信号与输入的模拟音频信号相乘，相乘的结果即输入信号在时间轴上的数字化。相乘，相乘的结果即输入信号在时间轴上的数字化。然后对采样以后的信号幅值进行量化。最简单的量然后对采样以后的信号幅值进行量化。最简单的量化方法是均衡量化，这个量化的过程由量化器来完化方法是均衡量化，这个量化的过程由量化器来完成。对经量化
15、器成。对经量化器A/DA/D变换后的信号再进行编码，即变换后的信号再进行编码，即把量化的信号电平转换成二进制码组，就得到了离把量化的信号电平转换成二进制码组，就得到了离散的二进制输出数据序列散的二进制输出数据序列x(n)x(n)，n n表示量化的时间表示量化的时间序列，序列，x(n)x(n)的值就是的值就是n n时刻量化后的幅值，以二进时刻量化后的幅值，以二进制的形式表示和记录。制的形式表示和记录。 （二）（二） 增量调制（增量调制（DMDM调制）调制） 它是一种预测编码技术，是它是一种预测编码技术，是PCMPCM编码的一种变形。编码的一种变形。DMDM是是对实际的采样信号与预测的采样信号之差
16、的极性进行编码，对实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性进行编码，将极性变成将极性变成“0”“0”和和“1”“1”这两种可能的取值之一。如果实际这两种可能的取值之一。如果实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性为的采样信号与预测的采样信号之差的极性为“正正”，则用，则用“1”“1”表示；相反则用表示；相反则用“0”“0”表示，或者相反。表示，或者相反。图3-7 DM波形示意图从上图中可以看到，在开始阶段增量调制器的输出从上图中可以看到，在开始阶段增量调制器的输出不能保持跟踪输入信号的快速变化，这种现象称为不能保持跟踪输入信号的快速变化，这种现象称为增量调制器的增量调制器的“斜率过载斜率过载”(slope overload)”(slope overload)。在输入信号缓慢变化部分，即输入信号与预测信号在输入信号缓慢变化部分，即输入信号与预测信号的差值接近零的区域，增量调制器的输出出现随机的差值接近零的区域，增量调制器的输出出现随机交变的交变的“0”和和“1”。这种现象称为增量调制器的粒状。这种现象称为增量调制器的粒状噪声噪声(granular noise)，这种噪声是不可能消除的。，
