[转帖]声音波形采样详细介绍

兰晓成 · #1

声音是表达思想和感情的一种必不可少的媒体。但是，无论是人们的语音还是乐器演奏的乐曲都是连续变化的模拟信号，而计算机处理的是数字信号。因此，音频处理设备既要能把模拟音频信号转换成数字信号，输入给计算机，又要能把计算机输出的数字信号转换成模拟音频信号，送音响设备。目前，进行这种转换的技术主要有两种，一种是对声音波形采样处理；另一种是乐器演奏数字化处。

1．声音波形采样处理
在电子技术中，把模拟电信号转换成数字信号的过程称为模/数（A/D）转换；把数字信号转换成模拟电信号的过程称为数/模（D/A）转换。在音频信号输入时，首先由话筒或录音机把声音信号转换成模拟电信号，再由模/数（A/D）转换器转换成数字信号，送计算机处理，这一过程称为采样或数据采集。音频信号输出时，计算机输出的数字信号由数/模（D/A）转换器转换成模拟电信号，再经音频放大器放大整型后送音响设备，这一过程称为播出或播放。

（1）采样与采样频率
采样就是采集模拟的音频信号。声音是连续的模拟信号，是时间的函数。而进行一次数据采集需要一定的时间，因此不能连续进行。但是，采样的次数越多，越接近真实的声音信号。通常把这一特征用采样频率来表征，即每秒钟采样的次数。
目前常用的采样频率有11.025kHz、22.05kHz、44.1kHz等。CD唱盘多采用44.1kHz，因此可得到高品质的效果。

（2）量化
提高采样频率可以弥补采样不连续而造成的声音损失，而声音的大小（即响度）则是表现在波幅上。波幅越高，声音越大；反之，声音就小。A/D转换是用数字表示波幅，不同高度的波幅对应于不同大小的数字。这种用数字表示波幅的过程称为量化。在计算机中，数字的位数是固定的。若以8位数据表示，可把最大幅度分成256等份，每一等份称为一个量化级，也称为分辨率。若以16位数据表示，可有65536个量化级。显然位数多，量化级差小，分辨率高。在数据采样中，常以二进制数的位数表示量化精度，目前使用较多的是16位，也称为16位分辨率。

（3）编码
采样量化后得到的二进制音频数据需要按照一定的方式进行编码，以利于计算机存储和处理。最简单的方法是直接对采集到的数据求补，以补码的形式表示，称为脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）。

（4）声道:声道是传输音频信号的路径。如果仅对一路信号进行数据采集，称为单声道。为了获得良好的音色，常对高频音和低频音分开采集，这样就有两路音频数据信号传送。这种采用两路音频数据信号传送与播放的形式称为双声道，也称为立体声采集与播放。如今高质量的声音传送多采用双声道技术。
（5）WAV文件
通过对声波采样后可得到一系列数据，这些数据以文件的形式存储，文件扩展名为.WAV。由于声音波形采样处理是直接对模拟的声音信号进行采集，因此当采样频率和量化精度高时数据量就会很大，而且与时间成正比，可用下式计算：
存储量（字节/秒）= 采样频率×量化精度×声道数/8
例如一段一分钟单声道声音片段，若采样频率为44.1kHz、16为量化精度，则需要的存储空间为5.292MB。
为了便于存储，常对声音文件进行压缩处理。目前采取的压缩技术有两种，一种是无损压缩，另一种是有损压缩。采用有损压缩，恢复的声音会有一定的失真。由于声音不象图形图像有大量的空白或相同色彩，它除了少量语音间歇外都是连续的声音信号。要做无损压缩比较困难，因此一般不如图形图像的压缩效果好，压缩比仅为2:1或4:1 。

2．乐器演奏数字化处理MIDI
MIDI是乐器数字化接口（Musical Instrument Digital Interface）的缩写，也是一种通信标准。它不采样，而是利用合成技术产生音乐。它通过指令描述乐曲的音调、音长和音符等信息，一系列指令可表示一段乐曲，也就是一个MIDI文件，扩展名为.MID。
一般声卡上设有MIDI接口，可连接MIDI设备，构成以计算机为核心的个人音乐作曲和演奏平台。乐曲录制时，由MIDI合成器把乐器输入的乐曲转换成MIDI文件；乐曲播放时，MIDI文件送MIDI合成器，经模拟混合后送扬声器播出。由于MIDI文件是一系列指令，因此相同时间的MIDI乐曲文件要比WAV文件小得多。

3．声音合成
普通声音具有音调、音色和响度三个要素。而对于电子音乐，还有一个持续时间，称为时值，也就是音乐颤动的时间。因此，音调、音色、响度和时值是构成电子音乐的四种要素。这四种要素合理配合，可产生优美动听的旋律。目前采取的合成技术主要有两种，一种是调频合成技术FM（Frequency Modulation）；另一种是波表合成技术WT（Wave Table）。
（1）调频合成技术FM：是根据傅立叶变换，由电子线路把声音信号分解成基波和一系列谐波。通过调谐不同频率的正弦波，达到模拟不同声音的效果。
（2）波表合成技术WT：是对乐器发出的声音采样，然后转换成相应的数字音频信号，存入ROM或硬盘中，构成波形表。存入ROM中的样本称为硬波表，存入硬盘中的样本称为波表。声音合成时，把波表中的波形数据输出播放，从而得到良好的播放效果。但是，各波形文件要保存真实音乐的记录，因此占据的存储空间较大，需要采用压缩。

zhuqin_83 · #2

只能算科普知识，很浅。