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数字音频基础

大家知道,无论现在的多媒体电脑功能如何强大,其内部也只能处理数字信息。而我们听到的声音都是模拟信号,怎样才能让电脑也能处理这些声音数据呢?还有,究竟模拟音频与数字音频有什么不同呢?数字音频究竟有些什么优点呢?这些都是我们下面所要介绍的。

把模拟音频转成数字音频,在电脑音乐里就称作采样,其过程所用到的主要硬件设备便是模拟/数字转换器(Analog to Digital Converter,即ADC)。采样的过程实际上是将通常的模拟音频信号的电信号转换成许多称作“比特(Bit)”的二进制码0和1,这些0和1便构成了数字音频文件。如下图,图中的正弦曲线代表原始音频曲线;填了颜色的方格代表采样后得到的结果,二者越吻合说明采样结果越好。

数字音频基础-2.1
上图中的横坐标便是采样频率;纵坐标便是采样分辨率。图中的格子从左到右,逐渐加密,先是加大横坐标的密度,然后加大纵坐标的密度。显然,当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小,则越有利于保持原始声音的真实情况,换句话说,采样的频率越大则音质越有保证;同理,当纵坐标的单位越小则越有利于音质的提高,即采样的位数越大越好。有一点请大家注意,8位(8Bit)不是说把纵坐标分成8份,而是分成2^8=256份;同理16位是把纵坐标分成2^16=65536份;而24位则分成2^24=16777216份。现在我们来进行一个计算,看看一个数字音频文件的数据量到底有多大。假设我们是用44.1kHz、16bit来进行立体声(即两个声道)采样,即采样成标准的CD音质(也称作红皮书音频)。那么就是说,一秒钟内采样44.1千次,每次的数据量是16×2=32bit(因为立体声是两个声道)。而大家知道,一个字节(Byte)含有8个位(Bit),那么一秒钟内的数据量便是44.1k×32bit /(8bit / Byte)=176.4 kByte。一个汉字在电脑里占用两个字节,那么176.4kB的空间可以存储 176.4k / 2=88200个汉字,也就是说一秒钟的数字音频数据量与近九万个汉字(一部中篇小说)的数据量相当。由此可见,数字音频文件的数据量是十分庞大的。

也许有人会问,为什么要把CD音质的采样频率规定成44.1kHz而不是其他的频率呢?这个问题问得好。44.1kHz意味着每秒采样四万多下,这会不会太多了点呢?究竟每秒采样多少次才算合理呢?大家请看下图。图中,上半部分表示原始音频的波形;下半部分表示录制后的波形;红色的点表示采样点。

数字音频基础-2.2
大家可以发现,上下波形之所以不吻合,是因为采样点不够多,或严谨一点说,是采样频率不够高。这种情况,我们称之为低频失真。

一个常见的低频失真的例子便是电影上车辆行驶时车轮转动的情况(一个典型的“马车轮”效应的例子)。你也许早已发现,飞快转动的车轮有时看起来似乎是静止不动甚至会向反方向转动(类似的情况也发生在直升飞机的翼片和螺旋浆上面)。 关于合理的采样频率这一问题在Nyquist(奈奎斯特)定理中早已有明确的答案:要想不产生低频失真,则采样频率至少得是录制的最高频率的两倍(上图中,采样频率只是录制频率的4/3倍)。这个频率通常称作Nyquist极限。

在正常的音乐中,最高的音符也只不过7kHz-8kHz,这似乎意味着16kHz的采样频率便已足够。其实这7、8kHz仅仅表示基音的音高,还有大量的泛音未包括在内,故用这种方法来定采样频率是十分不科学的。其实,所谓“不失真”,换句话说便是“人们听不到失真”。人类的听力范围是20Hz-20kHz,所以采样频率至少得是20k×2=40kHz便可保证不产生低频失真。CD音质的44.1kHz正是这样制定出来的(略高于40kHz是为了留有余地)。按照Nyquist定理,这样的采样频率可以保证即使是22.05kHz的超声波也不会产生低频失真。而音频的工业标准所规定的48kHz采样频率(如DAT,Digital Audio Tape)则有更高的Nyquist极限,满足更苛刻的要求。

那么数字音频又是如何播放出来的呢?首先,将这些由大量数字描述而成的音乐送到一个叫做数/模转换器(Digital to Analog Converter,即DAC)的线路里。它将数字回变成一系列相应的电压值,然后通过有助于稳定的保持线路,最后将信号由低通滤波器输出。这样,比较平缓的具有脉动电压的模拟信号可继续发送至放大器和扬声器,电流经过放大再转变成声音。

相对应的模拟音频又是怎样录制与播放的呢?首先,声波通过麦克风,空气分子的振动转变为电信号的波动(数字录音也必需经过这一步)。录音磁头的电磁铁根据通过电流的大小而产生大小不同的磁场,磁场的变化情况会相应的记录在磁带上(实际上是磁带上的磁粉排列发生了变化),这样便完成录音过程。播放时,放音磁头读出印记在磁带上的磁场大小变化的情况(即磁粉的排列位置),并转变为相应的电信号。之后的情况与数字音频的播放完全类似,即这些波动的电信号(模拟信号)继续传送至放大器和扬声器,电信号重新转变为声音(即空气分子的振动)。

说到这里,我们可以理解数字录音的好处了。首先,录制好的音乐是以数字来储存的,而数字的传输错误率是相当低甚至是可以避免的,所以录制好的音乐可以多次复制而效果不减(这在制作过程中十分重要)。而模拟信号则每传输一次就失真一次。而且,模拟录音的本底噪音很大,要想满足严谨的录音要求则需要购买复杂而又昂贵的设备,操作也十分繁琐。况且,处理数字信息是电脑的拿手好戏,只需面对显示器,所有的工作都可以弹指一挥间完成。正是基于以上这些优点,使得建立一个家庭工作室(Home Studio)显得非常具有吸引力,并且技术上也成为可能。

(作者:王巍 )



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