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了解数字音频(第1部分)

“数字音频”是声能(模拟信号)转化为数字信号的描述。这是怎么发生的?声音又是怎样变成数字的?

为了用数字表示这种“模拟”能量,采用A / D(模拟 – 数字)转换器。它的工作是测量音频信号的波动,并在计算机的编码系统中表示这些测量值。

由于计算机芯片及其相关技术是用于存储和操纵这些描述的主要手段,因此所使用的数字系统是二进制。

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比特深度

每个二进制单占位符称为“位”,它代表打开或关闭两个值之一,即数字0或1。因此,二进制可用于表示四个值:00(零)、01(一)、10(二)、11(三);

三位可以表述八个值:000(零)、001(一)、010(二)、011(三)、100(四)、101(五)、110(六)、111(七);

要确定任何二进制系统中可能有多少个值,可以使用公式2 n,其中n是一个或多个位(称为位深度或字长);

  • 8位系统(2 8)最多可以表示256个值(从000到255)
  • 十六位系统(2 16)可以表示多达65,536个值(从00000至65535)
  • 二十四位系统(2 24)可以代表多达16,777,216个值

 

振幅

用于表示音频信号的瞬时幅度,波形的起伏图像就是很直观的振幅表述

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遗憾的是,数字信号无法记录无限量的数据,并且测量结果永远不会绝对精确,这意味着数字化声音不能“完美地”代表原始声能。

 

量化

由于数字音频使用数值来表示瞬时幅度,因此无论使用多少位,其幅度信息必须四舍五入到最接近的可能值。这个过程称为量化。(注意:MIDI量化是节奏放置的四舍五入;数字音频量化是幅度的四舍五入。)

量化并不能精确描述音频信号,从下图原始信号与量化信号的对比图可以直观看到这一结果

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例如,如果只有256个值可用于描述幅度(在8位系统中就是这种情况),则不能有值,例如234.569,这种信号测量必须四舍五入并表示为235。因此,原始或“实际”幅度与量化表示之间的差异称为量化误差。

这种舍入误差在多个值上发生,并在信号中产生噪声,称为量化噪声或数字噪声。该量与平均量化误差的大小直接相关,因此与比特数有关。该关系可用于计算数字音频系统的信噪比的理论比率。该比率是最强信号和固有本底噪声之间的电平差的表达式(以分贝为单位,缩写为dB),数字越大越好。

以下公式可用于确定各种位深度的S / N比:

  • S / N(以dB为单位)=(6 xn)+ 2,其中n =位数
  • 对于8位,S / N = 50 dB(6 x 8 = 48,加2 = 50)
  • 对于12位,S / N = 74 dB(6 x 12 = 72,加2 = 74)
  • 对于16位,S / N = 98 dB(6 x 16 = 96,加2 = 98)
  • 对于24位,S / N = 146 dB(6 x 24 = 144,加2 = 146)

常规CD上的数字音频采用16位格式,符合管理其数据格式的“红皮书”技术行业指南。然而,大多数较新的数字音频制作设备允许24位。如果CD的最终混音为16位,为什么要以24位进行记录和工作?

只要在数字音频文件(或直播流)中发生任何变化,信号就会重新量化。因此,效果、声像、EQ、压缩、交叉渐变和混合都会增加更多的量化噪声。因此可以通过24位记录和编辑,在整个过程中保持较高的S / N比。

 

下节内容提示:低级失真、高级失真(削波)、采样率(基于时间的参数),继续阅读了解数字音频(第2部分)