模擬音頻信號進(jìn)行數(shù)字化處理

聲波是隨時間而連續(xù)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(tǒng)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(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是海量存儲設(shè)備和大容量內(nèi)存在計算機(jī)上的實(shí)現(xiàn)，對音頻媒體進(jìn)行數(shù)字化處理便成為可能。

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

1962 年，美國Bell實(shí)驗(yàn)室為ATT制成了國際上第一套商用PCM電話系統(tǒng)，標(biāo)志著通信開始步入數(shù)字化。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更加促進(jìn)了通信的數(shù)字化，并逐步與通信相結(jié)合。為使計算機(jī)能處理音頻，必須對聲音信號進(jìn)行數(shù)字化。

如同在時間和幅度上都連續(xù)的模擬聲音信號，經(jīng)過采樣、量化和編碼后，即成為離散的數(shù)字信號。

1、采樣

采樣也稱為抽樣，是將時間上、幅值上都連續(xù)的模擬信號在采樣脈沖的作用下，轉(zhuǎn)換成時間上離散（時間上有固定間隔）但幅值上仍連續(xù)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(shù)字化過程中通常采用均勻采樣。每秒鐘的采樣次數(shù)稱為采樣頻率，采樣頻率越高，數(shù)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(dāng)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(jīng)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(fù)原模擬聲音信號。完成聲音數(shù)字化所用到的主要設(shè)備是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ Analog to Digital Converter ，ADC）。

目前，在多媒體系統(tǒng)中捕獲聲音的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際應(yīng)用中，音頻的頻率范圍是不同的。例如，根據(jù)CITT公布的聲音編碼標(biāo)準(zhǔn)，把聲音根據(jù)使用范圍分為以下三級：

①電話語音級：300 Hz ~3.4kHz。

②調(diào)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(diào)幅廣播和高保真立體聲（CD音質(zhì)）三級使用相對應(yīng)。DVD標(biāo)準(zhǔn)的采樣頻率是96 kHz。

2、量化

聲音信號經(jīng)過采樣，成為時間上離散、幅度上連續(xù)的瞬時值，進(jìn)一步通過量化將其幅度離散，即用一組規(guī)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(jìn)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(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。量化級數(shù)越多誤差越小，相應(yīng)的二進(jìn)制碼位數(shù)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(shù)又不太多，通常采用非均勻量化的方法進(jìn)行量化。非均勻量化根據(jù) 幅度的不同區(qū)間來確定量化間隔，根據(jù)聲音 幅度普遍偏低的特點(diǎn)，在幅度小的區(qū)間量化間隔取得小，幅度大的區(qū)間量化間隔取得大。

一個模擬信號經(jīng)過采樣和量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號，它僅為有限個數(shù)值。

3、編碼

編碼就是用一組二進(jìn)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(guī)定采樣率為8 kHz，每個采樣值編碼位數(shù)為8 bit，即共有28即256個量化值，因而每路PCM編碼后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼率是64 kbit/s。為解決均勻量化時小信號量化誤差大、音質(zhì)差的問題，在實(shí)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(shù)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(tǒng)；μ律PCM用于北美和日本，主要用于24路一次群系統(tǒng)。

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