漫谈数位音乐

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1、「漫谈数位音乐」前言　　这一篇文章是由网友LukeLo所撰写，预计发表在台大物理系系刊－时空上，我们有幸率先享用这一篇可说是本站开站以来最精彩丰富的文章，实在是非常的荣幸。以下是LukeLo的原文：本文　　数位化是电脑发明以后不可阻挡的潮流，也是二十世纪人类文明的的重大革命，影响现代生活的各个层面，反映在音乐方面，最明显的产物就是CD。自音乐CD成为主流音乐储存媒体之后，数位音乐已与你我的生活密不可分。本篇文章希望以深入浅出的方式，带领读者探索各种数位音乐的储存格式与处理技巧。何谓数位化？　　从字面上来说，数位化(Digital)就是以数字来表示，例如用数字去纪录

2、一张桌子的长宽尺寸，各木料间的角度，这就是一种数位化。跟数位常常一起被提到的字是类比(Analog/Analogue)，类比的意思就是用一种相似的东西去表达，例如将桌子用传统相机将三视图拍下来，就是一种类比的纪录方式。音乐如何数位化？　　将音乐数位化，其实就是将声音数位化。将音讯数位化的方式有很多，最常见的方式是透过PCM(PulseCodeModulation)。音乐CD即是纪录此种格式的数位讯号，运作原理如下。首先我们考虑声音经过麦克风，转换成一连串电压变化的讯号，如图一所示。这张图的横座标为秒，纵座标为电压大小。要将这样的讯号转为PCM格式的方法，是先以等时

3、距分割。我们假设用每0.01秒分割，则得到图二。　　我们把分割线与讯号图形交叉处的座标位置纪录下来，可以得到如下资料，(0.01,11.65)、(0.02,14.00)、(0.03,16.00)、(0.04,17.74)…..(0.18,15.94)、(0.19,17.7)、(0.20,20)。好了，我们现在已经把这个波形以数字纪录下来了。由于我们已经知道时间间隔是固定的0.01秒，因此我们只要把纵座标纪录下来就可以了，得到的结果就是11.6514.0016.0017.7419.0019.8920.3420.0719.4418.5917.4716.3115.231

4、4.4313.8913.7114.4915.9417.7020.00这一数列。这一串数字就是将以上讯号数位化的结果。看吧，我们确实用数字纪录了事物。在以上的范例中，我们的取样频率是100Hz(1/0.01秒)。其实电脑中的.WAV档的内容就是类似这个样子，档头纪录了取样频率和可容许最大纪录振幅，后面就是一连串表示振幅大小的数字，有正有负。前面提到音乐CD是以PCM格式纪录，而它的取样频率(SampleRate)是44100Hz，振幅纪录精度是16Bits，也就是说振幅最小可达-32768(-2^16/2)，最大可达+32767(2^16/2-1)。在这里我们可以发

5、现无论使用多么高的纪录精度，纪录的数字跟实际的讯号大小总是有误差，因此数位化无法完全2纪录原始讯号。我们称这个数位化造成失真称为量化失真。为什么要数位化？　　数位化的最大好处是资料传输与保存的不易失真。纪录的资料只要数字大小不改变，纪录的资料内容就不会改变。如果我们用传统类比的方式纪录以上讯号，例如使用LP表面的凹凸起伏或是录音带表面的磁场强度来表达振幅大小，我们在复制资料时，无论电路设计多么严谨，总是无法避免杂讯的介入。这些杂讯会变成复制后资料的一部份，造成失真，且复制越多次讯噪比(讯号大小与杂讯大小的比值)会越来越低，资料的细节也越来越少。如果读者曾经复制过录

6、音带或是录影带，对以上的经验应该不陌生。在数位化的世界里，这串数字转换为二进位，以电压的高低来判读1与0，还可以加上各种检查码，使得出错机率很低，因此在一般的情况下无论复制多少次，资料的内容都是相同，达到不失真的目的。　　或许读者会问，既然CD是数位化的储存媒体，为什么我用烧录机复制的烧片放到CDPlayer中音质常比比原版片来得差呢？不是都是数位化的复制不会失真吗？这个问题我们留到后面再解答。　　那么，数位化的资料如何转换成原来的音乐讯号呢？这时候我们需要一项装置叫做DAC(DigitaltoAnalogConverter)，中文称数类转换器。DAC的功能如其名

7、是把数位讯号转换回类比讯号，在我们的CDPlayer，音效卡中都有这装置，而在许多电路中也经常被用到，例如显示卡的RAMDAC。我们可以把CDPlayer中的DAC想像成16个小电阻，各个电阻值是以二的倍数增大。当DAC接受到来自CD读取机构的二进位PCM讯号，遇到0时相对应的电阻就开启，遇到1相对应的电阻不作用，如此每一批16Bits数位讯号都可以转换回相对应的电压大小。我们可以想像这个电压大小看起来似乎会像阶梯一样一格一格，跟原来平滑的讯号有些差异，因此再输出前还要通过一个低通滤波器，将高次谐波滤除，这样声音就会变得比较平滑了。在音响的术语中，我们将读取CD且

8、输出类比音