数字声音及应用——教学笔记

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1、5.3数字声音及应用5.3.1波形声音的获取与播放一、声音的特性和类型n声音由振动产生，通过空气进行传播n声音是一种波，它由许多不同频率的谐波组成n谐波的频率范围称为声音的“带宽”n计算机处理的声音类型：n话音或语音(speech)，专指人的说话声音，带宽仅为300～3400Hzn全频带声音(如音乐声、风雨声、汽车声等)，其带宽可达到20Hz～20kHzn人耳可听到的声音统称“可听声”(audio)，20Hz～20kHz二、数字波形声音的获取步骤：1.取样（sampling）2.量化（quantization，模数转换)3.编码（encoding）取样模拟声音信号取样的目的是把时间上连续的信

2、号转换成时间上离散的信号量化量化是把每个样本从模拟量转换成为数字量(8位或16位整数表示)数字声音01100011001···编码将所有样本的二进制代码组织在一起，并进行数据压缩三、数字波形声音的获取设备1、声音的联机获取设备(声卡)声波转换为电信号麦克风（microphone）声音卡（soundcard）模拟声音数字声音取样、量化和编码2、声音的脱机获取设备：数码录音笔四、声音的重建与播放n计算机输出声音分为两步：1声音的重建：把声音从数字形式转换成模拟信号形式，由声卡完成重建的模拟声音信号数字声音011010011101…插值数模转换解码把压缩编码的数字声音恢复为压缩编码前的状态把声音样

3、本从数字量转换为模拟量把时间上离散的一组样本转换成在时间上连续的模拟声音信号2声音播放：将模拟声音信号经处理和放大后送到音箱(扬声器)n关于音箱：n普通音箱接收的是重建的模拟声音信号n数字音箱直接接收数字声音信号，失真更小五、声卡的功能与逻辑组成波形声音的获取与编码1、声卡的主要功能波形声音的重建与播放MIDI消息的输入MIDI音乐的合成DSPDMA接口PC总线取样，量化D/A重建，滤波声音输出声音输入音乐合成器mixerMIDI接口2、背景材料：声卡的具体实现•声卡主要由2块芯片组成：•主处理芯片：包括数字信号处理器、MIDI控制、I/O控制等•CODEC芯片：负责多声道取样、A/D与D/

4、A转换、混音处理等音频主芯片音频混合芯片运算放大器功率放大器MIDI/joystickMIC输入/线路输入PCI总线线路输出扬声器AudioCODEC芯片2种音频技术规范：-AC’97音频技术规范-HDAudio•当前PC机的声卡大多已不再做成独立的插卡形式，而是与主板集成在一起，称为集成声卡3、背景材料：声卡的几种类型硬声卡：除CODEC芯片外，主板上还有1块音频主处理芯片，很多音效处理任务无需CPU参与就可独立完成声卡的类型独立声卡：以扩展卡形式插在机箱中使用集成声卡软声卡：仅1块CODEC芯片，负责多声道取样与量化处理，I/O控制器部分集成在主板上的南桥芯片中，DSP的功能需由CPU协

5、助完成声卡的组成部分均集成在主板上5.3.2波形声音的表示与压缩编码1、数字波形声音的表示及其参数n数字波形声音是使用二进位表示的一种串行比特流，其数据按时间顺序进行组织，文件扩展名为“.wav”n数字波形声音的主要参数有：n取样频率：n语音的取样频率低，一般为8kHzn全频带声音（如音乐）的取样频率高，一般为44.1kHzn量化位数：通常为8位、12位或16位n声道数目：单声道为1，双声道为2n码率(比特率)，每秒钟的数据量2、数字波形声音码率的计算(1)未压缩时数字波形声音的码率计算公式码率=取样频率×量化位数×声道数例：声音类型声音信号带宽(Hz)取样频率(kHz)量化位数(bits)

6、声道数未压缩时的码率数字语音300～340088164kb/sCD立体声20～2000044.11621411.2(kb/s)(2)压缩编码之后数字波形声音的码率为：压缩后的码率=未压缩时的码率/压缩倍数例：上面CD唱片的立体声音乐压缩为MP3后，若压缩倍数是12倍，则该MP3音乐的码率是：118kb/s左右3数字波形声音的数据压缩(1)数字波形声音的数据量很大，例如：n数字语音1小时的数据量大约是30MBnCD立体声高保真的数字音乐1小时的数据量大约是635MB(2)数据压缩的必要性：n为了降低存储成本和提高在网络上的传输效率（3）数据压缩的可能性：n声音中包含了大量冗余信息；人耳的灵敏度

7、有限，允许有一定失真（4）数字波形声音压缩编码的方法：n全频带声音：国际标准MPEG；工业标准DolbyAC-3n数字语音：固定电话使用ADPCM编码移动电话使用高效率的混合编码技术（5）全频带数字音频编码的标准标准名称压缩后的码率(每个声道)声道数目主要应用MPEG-1audio层1192kbps（压缩4倍）2数字盒式录音带MPEG-1audio层2128kbps（压缩6倍）2DAB,VCD,MPEG-1a