数字音频处理技术

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1、第4章数字音频处理技术本章重点：声音概述音乐合成与MIDI数字音频压缩标准数字音频处理实例声音在本质上是一种机械振动，它通过空气传播到人耳，刺激神经后使大脑产生一种感觉。在一些专业场合，声音通常被称为声波或音频。4.1声音概述声音在物理学上称之为声波，是通过一定介质（如空气、水等）传播的一种连续振动的波，也称为声波。通常把频率范围为20Hz～20kHz的信号称为音频信号。低于20Hz的信号为亚音信号或者称为次音信号；高于20kHz的信号称为超音频信号，或称为超声波信号。常见声源及其频率范围：声音的特征：

2、声音有3个重要指标即振幅、周期和频率。振幅是波的高低幅度，表示声音的强弱；周期指两个相邻波之间的时间长度；频率指每秒振动的次数，以Hz为单位。声音的3要素是音调、音色、强度，它们分别与声波的频率、波形、振幅等相关4.2数字化音频声音信号是时间和幅度上都连续的模拟信号。而计算机只认识“0”和“1”，或者说计算机只能处理一个个数据，尽管数据量可能是巨大的。所以，计算机处理声音的第一步是将声音数字化，将模拟信号变为数字信号。4.2.1音频的数字化把模拟声音（音频）信号转换位数字化声音（音频）的过程称为声音（音

3、频）的数字化，或称为模/数（A/D）变换。1.采样在音频数字化过程中，采样指的是以固定的时间间隔T对模拟信号（音频信号）进行取值。固定的时间间隔T称为采样周期，1/T称为采样频率（fs）。采样后得到的是一个离散时间信号。采样时间间隔T越短，也就是采样频率越高，声音数据在后期播放时保真度越好。2.量化采样后的音频信号需要经过量化，使信号幅度转变为有限的离散数值。这种由有限个数值组成的信号就称为离散幅度信号。例如，假设输入电压的范围是0V～7V，并假设它的取值只限定在0，1，2，…，7共8个值。如果采样得到

4、的幅度值是1.2V，则它的取值就应是1V，如果采样得到的幅度值是2.6V，则它的取值就应是3V等。这种数值就称为离散数值，即量化值。量化之后得到的是时间离散、幅度离散的数字信号。3.编码编码，即是将量化值表示成为二进制数的形式，以便于计算机存储和处理。例如，上面量化规定的8个取值，就可以用3位二进制数表示，从000～111，2V可以表示为001，3V可以表示位011，6V可以表示位101。计算机可以对数字化之后的音频信号进行存储、编辑和处理，并可以还原成原始的波形进行播放，这个还原的过程称为解码，它是模

5、/数（A/D）变换的逆过程，及数/模（D/A）变换。4.2.2数字音频音质与数据量采样频率和采样量化级数是数字化声音的两个最基本要求，直接影响数字化音频的质量和数据量。一般而言，采样频率越高声音失真越小，但用于存储音频的数据量也越大。量化位数越高音质越好，数据量越大。通常有3中采样频率：44.1kHz（取样44100次每秒，用于CD品质的音乐）、22.05kHz（适用于语音和中等品质的音乐）、11.025kHz（低品质），量化精度分别为8位字长（256阶）量化（低品质）和16位字长（65535阶）量化（

6、高品质）。4.2.2数字音频音质与数据量反映音频数字化质量的另一个因素是通道（或声道）个数。一次采样一个声音波形，称为“单声道”；一次采样两个声音波形，称为“双声道”（即人们常说的立体声）。立体声更能反映人的听觉感受。但数据量比单声道多一倍，这样需要的存储空间是单声道的两倍。对声音的采样可以使用不同的采样频率、采样量化级数和声道，但实际上为了节省存储空间，经常要在数字化音频数据量的的大小与声音回放质量之间进行权衡。声音信息数字化后的数据量计算公式为：数据量=采样频率*量化位数*声道数/8数据量的单位：B

7、/s（字节/秒）音质与数字音频参数的关系4.2.3数字音频文件格式数字音频数据是以文件的形式保存在计算机中的。数字音频的文件格式主要又CD、WAVE、MP3、WMA、MIDI等。CD文件：*.cda格式，采用44.1kHz的采样频率，速率为88kbps。具有16位量化位数，CD音轨近似无损，声音基本上终于忠于原声。WAV文件：微软公司开发的一种声音文件格式，也称波形声音文件，是最早的数字音频格式，被Windows平台及其应用程序广泛支持。4.2.3数字音频文件格式MP3音频文件：全称为MPEG-1aud

8、iolayer3，其压缩率为12：1。优势是在高压缩比的情况下，还能拥有优美的音质。它利用知觉音频编码技术，即利用了人耳的特性，消减音乐中人耳的特性，消减音乐中人耳听不到的成分，同时尽可能地维持原来的声音质量。WMA文件：WindowsMediaAudio，通过减少数据流量但保持音质的方法来达到比MP3压缩率更高的目的。WMA的一个优点是压缩率高，，一般都在18：1.其次，WMA的内容提供商可以加入防复制保护。4.2.3数字音频文件格式MI