普通的CD采用了數(shù)字技術(shù),不過(guò)它只是簡(jiǎn)單地把模擬信號(hào)加以數(shù)字化。為了把模擬信號(hào)數(shù)字化,首先要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣。根據(jù)Nyquest采樣定律,通常其采樣頻率至少是信號(hào)中的最高頻率分量的兩倍。對(duì)于高質(zhì)量的音頻信號(hào),其頻率范圍是從20Hz-20kHz。所以其采樣頻率必須在40kHz以上。在CD中采用了44.1kHz的采樣頻率。在對(duì)模擬信號(hào)采樣以后,還必須對(duì)其幅度上加以分層。在CD中,其分層以后的幅度信號(hào)用16比特的二進(jìn)制信號(hào)來(lái)表示,也就是把模擬的音頻信號(hào)在幅度上分為65,536層。這樣,它的動(dòng)態(tài)范圍就可以達(dá)到96分貝=20Log65536(6分貝/比特)。這種直接模數(shù)(A/D)變換的方法也稱為PCM編碼。直接數(shù)字化的最大缺點(diǎn)是比特率非常高。達(dá)到44.1x16=705.6kbps,或即88.2kBbps。比特率高就意味著要求的存儲(chǔ)容量很大。要記錄1分鐘的音樂(lè),就需要5.292MB的存儲(chǔ)容量。對(duì)于兩路立體聲,就需要10.584MB。而要記錄幾十分鐘的音樂(lè)就需要幾百兆的存儲(chǔ)容量。
把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換,它主要包括:
采樣:在時(shí)間軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化;
量化:在幅度軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化;
編碼:按一定格式記錄采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
脈沖編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)是一種模數(shù)轉(zhuǎn)換的最基本編碼方法,CD-DA就是采用的這種編碼方式。
采樣頻率是指一秒鐘內(nèi)采樣的次數(shù)。奈奎斯特(Harry Nyquist)
如果對(duì)某一模擬信號(hào)進(jìn)行采樣,則采樣后可還原的最高信號(hào)頻率只有采樣頻率的一半,或者說(shuō)只要采樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍,就能從采樣信號(hào)系列重構(gòu)原始信號(hào)。
根據(jù)該采樣理論,CD激光唱盤采樣頻率為44KHz,可記錄的最高音頻為22KHz,這樣的音質(zhì)與原始聲音相差無(wú)幾,也就是我們常說(shuō)的超級(jí)高保真音質(zhì)(Super High Fidelity-HiFi)。
采樣的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率分別為:44.1KHz,22.05KHz和11.025KHz。
量化位是對(duì)模擬音頻信號(hào)的幅度軸進(jìn)行數(shù)字化,它決定了模擬信號(hào)數(shù)字化以后的動(dòng)態(tài)范圍。由于計(jì)算機(jī)按字節(jié)運(yùn)算,一般的量化位數(shù)為8位和16位。量化位越高,信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍越大,數(shù)字化后的音頻信號(hào)就越可能接近原始信號(hào),但所需要的存貯空間也越大。
量化位 等份 動(dòng)態(tài)范圍(dB) 應(yīng)用 8 256 48-50 數(shù)字 16 65536 96-100 CD-DA 聲道數(shù) 有單聲道和雙聲道之分。雙聲道又稱為立體聲,在硬件中要占兩條線路,音質(zhì)、音色好,但立體聲數(shù)字化后所占空間比單聲道多一倍。
編碼的作用一是采用一定的格式來(lái)記錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),二是采用一定的算法來(lái)壓縮數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
壓縮編碼的基本指標(biāo)之一就是壓縮比:壓縮比通常小于1。壓縮算法包括有損壓縮和無(wú)損壓縮;有損壓縮指解壓后數(shù)據(jù)不能復(fù)原,要丟失一部分信息。壓縮比越小,丟掉的信息越多、信號(hào)還原后失真越大。根據(jù)不同的應(yīng)用,可以選用不同的壓縮編碼算法,如PCM,ADPC,MP3,RA等等。
數(shù)據(jù)率為每秒bit數(shù),它與信息在計(jì)算機(jī)中的實(shí)時(shí)傳輸有直接關(guān)系,而其總數(shù)據(jù)量又與計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間有直接關(guān)系。因此,數(shù)據(jù)率是計(jì)算機(jī)處理時(shí)要掌握的基本技術(shù)參數(shù),未經(jīng)壓縮的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)率可按下式計(jì)算:
數(shù)據(jù)率=采樣頻率(Hz)×量化位數(shù)(bit)×聲道數(shù)(bit/s)
用數(shù)字音頻產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一般以WAVE的文件格式存貯,以".WAV"作為文件擴(kuò)展名。WAV文件由三部分組成:文件頭,標(biāo)明是WAVE文件、文件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的總字節(jié);數(shù)字化參數(shù)如采樣率、聲道數(shù)、編碼算法等等;最后是實(shí)際波形數(shù)據(jù)。WAVE格式是一種Windows下通用的數(shù)字音頻標(biāo)準(zhǔn),用Windows自帶的媒體播放器可以播放WAV文件。MP3的應(yīng)用雖然很看好,但目前還需專門的播放軟件,其中較成熟的為RealPlayer。
為了存儲(chǔ)數(shù)字化了的音樂(lè),就只能盡量開(kāi)發(fā)高容量的存儲(chǔ)系統(tǒng)。在70年代末,終于開(kāi)發(fā)出了利用激光讀寫的光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)。因?yàn)檫@種光盤比起密紋唱片,無(wú)論在體積和重量上都要小得多,輕得多,所以稱它為CD(CompactDisk)。意思為輕便的碟片。而一張CD的容量大約為650MB,也就只能存儲(chǔ)61.4分鐘音樂(lè)。
純粹音樂(lè)CD通常也稱為CD-DA。DA就是數(shù)字音頻(Digital Audio)的縮寫。它的技術(shù)指標(biāo)是由一本所謂的"紅皮書"所定義。這本紅皮書是菲立普公司和索尼公司在1980年公布的。以后,在1987年,又由國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定為IEC908標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)可以比較精確地計(jì)算一張CD所能存儲(chǔ)的音樂(lè)時(shí)間。實(shí)際上在CD碟片中是以扇區(qū)為單位的,每個(gè)扇區(qū)中所包含的字節(jié)數(shù)為2352個(gè)字節(jié)??偣灿?45k個(gè)扇區(qū)。因此總的字節(jié)數(shù)為345kx2352=811440kB??梢源娣?6.92分鐘的立體聲音樂(lè)。還有一種方法來(lái)計(jì)算播放的時(shí)間,CD在播放時(shí),其播放的速度為每秒鐘75個(gè)扇區(qū)。一張CD有345k個(gè)扇區(qū),因而可以播放的時(shí)間為345k/75=4600秒=76分40秒。兩種方法計(jì)算的結(jié)果是一樣的。
因?yàn)橐纛l信號(hào)數(shù)字化以后需要很大的存儲(chǔ)容量來(lái)存放,所以很早就有人開(kāi)始研究音頻信號(hào)的壓縮問(wèn)題。音頻信號(hào)的壓縮不同于計(jì)算機(jī)中二進(jìn)制信號(hào)的壓縮,在計(jì)算機(jī)中,二進(jìn)制信號(hào)的壓縮必須是無(wú)損的,也就是說(shuō),信號(hào)經(jīng)過(guò)壓縮和解壓縮以后,必須和原來(lái)的信號(hào)一樣,不能有一個(gè)比特的錯(cuò)誤。這種壓縮稱為無(wú)損壓縮。但是音頻信號(hào)的壓縮就不一樣,它的壓縮可以是有損的只要壓縮以后的聲音和原來(lái)的聲音聽(tīng)上去和原來(lái)的聲音一樣就可以了。因?yàn)槿说亩鋵?duì)某些失真并不靈敏,所以,壓縮時(shí)的潛力就比較大,也就是壓縮的比例可以很大。音頻信號(hào)在采用各種標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)損壓縮時(shí),其壓縮比頂多可以達(dá)到1.4倍。但在采用有損壓縮時(shí)其壓縮比就可以很高。下面是幾種標(biāo)準(zhǔn)的壓縮方法的性能。按質(zhì)量由高往低排列。
需要注意的是,其中的Mbyte不是正好1兆比特,而是1024x1024=1048576Byte。必須指出,這些壓縮都是以犧牲音質(zhì)作為代價(jià)的,尤其是最后兩種方法,靠降低采樣率和降低分辨率來(lái)取得的。這對(duì)音質(zhì)的損失太大,所以這些方法并不可取。
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