音频信号的数字化过程及其重要性

2023-10-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.11音频信号的数字化过程采样采样过程就是按规定的时间间隔采集一段时间内的声音模拟信号，即获得采样时刻模拟信号幅度值。采样频率是采样周期的倒数。采样的结果就是声音的数字化信息，又称“声音样本”。例如，每个声音样本用16位（2字节）表示，测得的声音样本值是在0～65 536范围里，那么它的精度就是输入信号的1/65 536。麦克风的作用是将声波转换为电信号，声卡的作用是将电信号数字化。

声音进入计算机的第一步就是数字化，数字化实际上就是采样、量化和编码的过程（称为“数模转换”）。图5.11描述了音频信号数字化的过程。声音的质量与频域和音色有关，影响数字音频的因素有：采样频率、量化精度（数据位数）。频率越低，数据位越少，音质越差。录制声音时，音频信号幅度与噪声幅度比值（信噪比）越大越好。

图5.11　音频信号的数字化过程

（1）采样

采样过程就是按规定的时间间隔采集一段时间内的声音模拟信号，即获得采样时刻模拟信号幅度值。相邻两次采样的时间间隔称为“采样周期”。采样频率是采样周期的倒数。采样频率的高低是根据Nyquist理论而定：采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍，这样就能把以数字表达的声音还原成原来的声音，这叫做“无损数字化”。因此，电话话音的信号频率约为3.4kHz，采样频率就选为8kHz。通常采样频率越高，对于原声音曲线的模拟就越精确。采样的结果就是声音的数字化信息，又称“声音样本”。

声音通道数指一次采样的声音波形数。单声道一次采样一个波形，双声道（立体声）一次采样两个声音波形。采用立体声道的声音更丰富，但存储空间要多占用一倍，多声道声音的数据量更大。

（2）量化

量化精度是用每个声音样本的存储位数bit/s（即bit per sample，bps）表示的，它反映度量声音波形幅度的精度。例如，每个声音样本用16位（2字节）表示，测得的声音样本值是在0～65 536范围里，那么它的精度就是输入信号的1/65 536。样本位数的大小会影响声音的质量，位数越多，声音的质量越高，而需要的存储空间也越多；位数越少，声音的质量越低，需要的存储空间越少。

声音经过采样和量化得到的声音数据所需要的存储容量按照下列公式计算：(www.chuimin.cn)

存储容量（字节）＝采样频率×量化精度/8×声道数×时间

例如，一段持续1min的双声道声音，若采样频率为44.1kHz，量化精度为16位，不考虑数据压缩，数字化后所需要的存储容量为：

44.1×1 000×16/8×2×60＝10.584（MB）

（3）编码

为了方便数据的传输和存储，数字音频的编码必须具有压缩声音数据的能力。最常采用的音频压缩方法是自适应脉冲编码调制法（ADPCM）。ADPCM压缩编码具有信噪比高，数据压缩倍率可达2～5倍，却不会明显失真的特点。

（4）声音输入设备

声音的输入主要通过麦克风和声卡。麦克风的作用是将声波转换为电信号，声卡的作用是将电信号数字化。

音频信号的数字化过程及其重要性

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