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    模擬音頻數字化過程

    聲波是隨時間而連續變化的物理量,可用隨聲波變化而改變的電壓或電流信號來模擬。傳統的聲音記錄方式就是將模擬信號直接記錄下來隨著計算機技術的發展,特別是海量存儲設備和大容量內存在計算機上的實現,對音頻媒體進行數字化處理便成為可能。

    1939年,法國工程師A.里弗斯發明了將連續的模擬信號變換成時間和幅度都離散的二進制碼代表的脈沖編碼調制( Pulse Code Modulation, PCM)信號,并申請了專利。

    1962 年,美國Bell實驗室為ATT制成了國際上第一套商用PCM電話系統,標志著通信開始步入數字化。計算機技術的發展更加促進了通信的數字化,并逐步與通信相結合。為使計算機能處理音頻,必須對聲音信號進行數字化。

    如同在時間和幅度 上都連續的模擬聲音信號,經過采樣、量化和編碼后,即成為離散的數字信號。

    數字音頻
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    1、采樣

    采樣也稱為抽樣,是將時間上、幅值上都連續的模擬信號在采樣脈沖的作用下,轉換成時間上離散(時間上有固定間隔)但幅值上仍連續的離散模擬信號。所以采樣又稱為波形的離散化過程。 能音具體方法是:每隔相等或不相等的一小段時間采樣一次。相隔時間相等的采樣為均勻采樣,也稱為線性采樣;相隔時間不相等的采樣為不均勻采樣,又稱為非線性采樣;聲音數字化過程中通常采用均勻采樣。 每秒鐘的采樣次數稱為采樣頻率,采樣頻率越高,數字化后聲波就越接近于原來的波形,即聲音的保真度越高,但量化后聲音信息量的存儲量也越大。采樣必須遵循奈奎斯特采樣定理,即只有當采樣頻率高于聲音信號最高頻率的2倍時,才能保證模擬信號經過采樣后仍然包含原信號中的所有信息,也就是說能無失真地恢復原模擬聲音信號。完成聲音數字化所用到的主要設備是模擬數字轉換器( Analog to Digital Converter ,ADC)。

    目前,在多媒體系統中捕獲聲音的標準采樣頻率有44.1 kHz,22. 05 kHz和11.025 kHz三種。而人耳所能接收聲音的頻率范圍為20 Hz ~ 20 kHz,在實際應用中,音頻的頻率范圍是不同的。例如,根據CITT公布的聲音編碼標準,把聲音根據使用范圍分為以下三級:

    ①電話語音級:300 Hz ~3.4kHz。
    ②調幅廣播級:50 Hz-7 kHz。
    ③高保真立體聲級:20Hz - 20 kHz。

    采祥頻率11.025 kHz,22.05 kH,44.1 kHz正好與電話語音、調幅廣播和高保真立體聲(CD音質)三級使用相對應。DVD標準的采樣頻率是96 kHz。

    模擬音頻
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    2、量化

    聲音信號經過采樣,成為時間上離散、幅度上連續的瞬時值,進一步通過量化將其幅度離散,即用一組規定的電平把瞬時采樣值用最接近的電平值來表示,通常是用二進制表示。

    量化后的信號和采樣信號存在差值,稱為量化誤差。量化誤差是不能完全消除的,在接收端表現為噪聲,稱為量化噪聲。量化級數越多誤差越小,相應的二進制碼位數越多,要求傳輸速率越高,頻帶越寬。為使量化噪聲盡可能小而所需碼位數又不太多,通常采用非均勻量化的方法進行量化。非均勻量化根據 幅度的不同區間來確定量化間隔,根據聲音 幅度普遍偏低的特點,在幅度小的區間量化間隔取得小,幅度大的區間量化間隔取得大。

    一個模擬信號經過采樣和量化后,得到已量化的脈沖幅度調制信號,它僅為有限個數值。

    3、編碼

    編碼就是用一組二進制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。PCM編碼將量化和編碼在一個過程中同時完成。

    對于電話語音,國際電報電話咨詢委員會(CCITT)規定采樣率為8 kHz,每個采樣值編碼位數為8 bit,即共有28即256個量化值,因而每路PCM編碼后的標準數碼率是64 kbit/s。為解決均勻量化時小信號量化誤差大、音質差的問題,在實際中采用不均勻選取量化間隔的非線性量化方法,使用兩種對數形式的壓縮特性:A律和μ律。A律PCM用于歐洲和中國,主要用于30/32路一次群系統;μ律PCM用于北美和日本,主要用于24路一次群系統。

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