数字音频技术

数字音频技术 第二章 数字音频技术 返回 学习目标 ? 掌握数字音频基本概念、各种音频信号的 特点、声卡的安装与使用。 ? 了解多媒体光存储技术及CD-ROM 光盘的结 构与读写原理。 ? 掌握音频数据制作和声音编辑软件 Cood Edit 2000 的使用和操作 目录 2.1 多媒体音频 2.2 MIDI 音频 2.3 多媒体光存储器CD-ROM 和声卡 2.4 音频数据制作 2.1 多媒体音频 音频是多媒体技术的重要特征之一，是携 带信息的重要媒体。在计算机多媒体技术中，音 频的种类主要有波形音频、MIDI 音频和CD 唱盘音 频。 2.1.1 波形音频 2.1.2 MIDI 音频 2.1.3 CD-DA 唱盘 2.1.4 声卡 返回 2.1.1 波形音频 1 (声音的基本特征 2 (数字音频 1 (声音的基本特征 声音是由空气中分子的振动而产生的。自 然界的声音是一个随时间而变化的连续信号，可 近似地看成是一种周期性的函数。通常用模拟的 连续波形描述声波的形状，单一频率的声波可用 一条正弦波 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，如下图所示。 振 幅 周期 基线 基线是测量模拟信号的基准点。声波的振 幅表示声音信号的强弱程度。声波的频率反映出 声音的音调，声音细尖表示频率高，声音粗低表 示频率低。 振幅和频率不变的声音信号，称为单音。 单音一般只能由专用电子设备产生。在日常生活 中，我们听到的自然界的声音一般都属于复音， 其声音信号由不同的振幅与频率合成而得到。复 音中的最低频率称为复音的基频(基音)，是决 定声调的基本要素，它通常是个常数。复音中还 存在一些其它频率，是复音中的次要成分，通常 称为谐音。基频和谐音合成复音，决定了特定的 声音音质和音色。 2 (数字音频 声波是随时间而连续变化的物理量，通过 能量转换装置，可用随声波变化而改变的电压 或电流信号来模拟。以模拟电压的幅度来表示 声音的强弱。 为使计算机能处理音频，必须对声音信号 数字化。 (1). 采样和量化 (2). 影响数字音频质量的技术参数 (3). 数字音频文件的存储量 (4). 数字音频信号的编码 (1). 采样和量化 (c) 采样信号的量化 (a) 模拟音频信号 (b) 音频信号的采样 数字化音频的过程如下图所示。 模拟声音在时间上是连续的，或称连续时 间函数x(t) 。用计算机处理这些信号时，必须 先对连续信号采样，即按一定的时间间隔(T) 在 模拟声波上截取一个振幅值( 通常为反映某一瞬 间声波幅度的电压值) ，得到离散信号x(nT) (n 为整数) 。T 称采样周期，1/T 称为采样频率。 为了把采样得到的离散序列信号x(nT) 存 入计算机，必须将采样值量化成有限个幅度值 的集合x(nT) ，采样值用二进制数字表示的过程 称为量化编码。 (2). 影响数字音频质量的技术参数 对模拟音频信号进行采样量化编码后，得 到数字音频。数字音频的质量取决于采样频率、 量化位数和声道数三个因素。 1). 采样频率 采样频率是指一秒钟时间内采样的次数。 在计算机多媒体音频处理中，采样频率通常采 用三种:11.025KHz( 语音效果) 、22.05KHz( 音 乐效果) 、44.1KHz( 高保真效果) 。常见的CD 唱 盘的采样频率即为44.1KHz 。 2). 量化位数 量化位数也称“量化精度”，是描述每个采样 点样值的二进制位数。例如，8 位量化位数表示每 个采样值可以用2 8 即256 个不同的量化值之一来表 示，而16 位量化位数表示每个采样值可以用2 16 即 65536 个不同的量化值之一来表示。常用的量化位 数为8 位、12 位、16 位。 3). 声道数 声音通道的个数称为声道数，是指一次采 样所记录产生的声音波形个数。记录声音时，如 果每次生成一个声波数据，称为单声道;每次生 成两个声波数据，称为双声道(立体声)。随着 声道数的增加，所占用的存储容量也成倍增加。 (3). 数字音频文件的存储量 以字节为单位，模拟波形声音被数字化后 音频文件的存储量( 假定未经压缩) 为: 存储量= 采样频率×量化位数/8×声道数×时间 例如，用44.1KHz 的采样频率进行采样，量 化位数选用16 位，则录制1 秒的立体声节目，其 波形文件所需的存储量为: 44100×16 ,8×2×1=176400( 字节) (4). 数字音频信号的编码 一般情况下，声音的制作是使用麦克风或 录音机来产生，再由声卡上的WAVE 合成器的 ( 模/ 数转换器) 对模拟音频采样后，量化编码为 一定字长的二进制序列，并在计算机内传输和 存储。在数字音频回放时，再由数字到模拟的 转化器( 数/ 模转换器) 解码可将二进制编码恢复 成原始的声音信号，通过音响设备输出。如下 图所示。 模拟音频信号输入 采样/ 量化编码 传输/ 存储 解码 播放 数字波形文件数据量大，数字音频的编码 必须采用高效的数据压缩编码技术。音频信号 能够被压缩编码的依据有两个，一是声音信号 存在着数据冗余;二是利用人的听觉特性来降 低编码率，人的听觉具有一个强音能抑制一个 同时存在的弱音现象，这样就可以抑制与信号 同时存在的量化噪声;另外人耳对低频端比较 敏感，而对高频端不太敏感，由此引出了“子带 编码技术”。 音频信号的压缩编码方式可分为波形编码 参数编码和混合编码三种。 1). 波形编码 波形编码的算法简单，易于实现，可获得 高质量的语音。常见的三种波形编码方法为: 脉冲编码调制(PCM) ，实际为直接对声音信号作 A ,D 转换。只要采样频率足够高，量化位数足 够多，就能使解码后恢复的声音信号有很高的 质量。 差分脉冲编码调制(DPCM) ，即只传输声音预测 值和样本值的差值以此降低音频数据的编码率。 自适应差分编码调制(ADPCM) ，是DPCM 方法的进 一步改进，通过调整量化步长，对不同频段设 置不同的量化字长，使数据得到进一步的压缩。 2). 参数编码 参数编码方法通过建立起声音信号的产生 模型，将声音信号用模型参数来表示，再对参 数进行编码，在声音播放时根据参数重建声音 信号。参数编码法算法复杂，计算量大，压缩 率高，但还原声音的质量不高。 3). 混合编码 混合编码是把波形编码的高质量和参数编 码的低数据率结合在一起，取得了较好效果。 音频编码标准和算法 5.0 CD 128kbit/s 多子带感知编码 MPEG G.728 16kbit/ 低延时码激励LPC LD-CELP ISDN 13.2kbit/s 长时预测 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 码激励 RPE-CELP 语音邮件 8kbit/s 矢量和激励LPC VSELP 3.7- 4.0 移动通信 4.8kbit/s 码激励LPC CELPC 混合 编码 2.5- 3.5 保密电话 2.4kbit/s 线性预测编码 LPC 参数 编码 G.722 64kbit/s 子带一自适应差值量化 SB-ADPCM G.721 32kbit/s 自适应差值量化 ADPCM 差值量化 DPCM 自适应量化 APCM G.711 64kbit/s μ(A) μ(A) 波形 编码 4.0- 4.5 公共网 ISDN 配音 均匀量化 PCM 质量 应用 标准 数据率 名称 算法 编码 类型 2.2.2 MIDI 音频 MIDI 音频是将电子乐器键盘上的弹奏信息 记录下来，包括键名、力度、时值长短等，是乐 谱的一种数字式描述。当需要播放时，只需从相 应的MIDI 文件中读出MIDI 消息，生成所需要的声 音波形，经放大后由扬声器输出。如下图所示。 合成器 扬声器 MIDI 键盘 MIDI 接口 音序器 1. 什么是MIDI 2. MIDI 设备配置 3. MIDI 文件的特点 MIDI 是Musical Instrument Digital Interface( 乐器数字接口) 的缩写。MIDI 是一种 国际标准，是计算机和MIDI 设备之间进行信息交 换的一整套规则，包括各种电子乐器之间传送数 据的通信协议。 1. 什么是MIDI MIDI 设备就是处理MIDI 信息所需的硬件设 备，其基本组成包括: 2. MIDI 设备配置 (1). MIDI 端口 (2). MIDI 键盘 (3). 音序器(Sequencer) (4). 合成器 (1). MIDI 端口 一台MID 设备可以有一至三个MIDI 端口，分 别称为MIDI In 、MIDI Out 、MIDI Thru 。它们的 作用是: MIDI In :接收来自其它MIDI 设备的MIDI 信 息。 MIDI Out :发送本设备生成的MIDI 信息到 其它设备。 MIDI Thru :将从MIDI In 端口传来的信息 转发到相连的另一台MIDI 设备上。 (2). MIDI 键盘 MIDI 键盘是用于MIDI 乐曲演奏的，MIDI 键 盘本身并不发出声音，当作曲人员触动键盘上的 按键时，就发出按键信息，所产生的仅仅是MIDI 音乐消息，从而由音序器录制生成MIDI 文件。 (3). 音序器(Sequencer) 用于记录、编辑、播放MIDI 的声音文件， 音序器有以硬件形式提供的，目前大多为软件音 序器。音序器可捕捉MIDI 消息，将其存入MIDI 文 件，MIDI 文件扩展名为 .MID 。音序器还可编辑 MIDI 文件。 (4). 合成器 MIDI 文件的播放是通过MIDI 合成器，合 成器解释MIDI 文件中的指令符号，生成所需要 的声音波形，经放大后由扬声器输出，声音的 效果比较丰富。 1). MIDI 合成方式 MIDI 合成方式主要有调频合成(FM) 和波 形表合成(Wave Table) 两种方式。调频合成方 式，其原理是根据傅立叶级数而来。波形表合 成的原理是ROM 中已存储着各种实际乐器的声 音采样，合成时以查表方式调用这些样本将其 还原回放。 2). 硬波形表合成与软波形表合成 硬波表合成方式的数字声音样本被保存 在ROM 内或RAM( 可动态更换) 内。而软波表的数 字化样本保存于系统主存中，合成运算靠CPU 完成，最终的音频合成靠声卡上的WAVE 合成器 来完成。 软波表实际上是针对合成MIDI 音乐而开 发的一套软件，其主要作用是控制高速CPU 来 完成波表MIDI 合成器的部分功能。 3. MIDI 文件的特点 (1). 由于MIDI 文件只是一系列指令的集合，因 此它比数字波形文件小得多，大大节省了 存储空间。 (2). 使用MIDI 文件，其声音卡上必需含有硬件 音序器或者配置有软件音序器。 (3). MIDI 声音适于重现打击乐或一些电子乐器 的声音，利用MIDI 声音方式可用计算机来 进行作曲。 (4). 对MIDI 的编辑很灵活，在音序器的帮助下， 用户可自由地改变音调、音色以及乐曲速 度等，以达到需要的效果。 2.3.1 CD-DA 唱盘 CD-DA(Compact Disk-Digital Audio) 即 数字音频光盘。是光盘的一种存储格式，专门 用来记录和存储音乐。CD 唱盘也是利用数字技 术( 采样技术) 制作的，只是CD 唱盘上不存在数 字声波文件的概念，而是利用激光将0 、1 数字 位转换成微小的信息凹凸坑制作在光盘上，通 过CD-ROM 驱动器特殊芯片读出其内容，再经过 D ,A 转换，把它变成模拟信号输出播放。 2.3.2 声卡 声卡是多媒体计算机必备的部件之一，用来 处理各种类型数字化声音信息。 1. 声卡的结构与功能 2. 声卡的安装 3. 安装测试 1. 声卡的结构与功能 声卡一般由Wave 合成器、MIDI 合成器、混 合器、MIDI 电路接口、CD-ROM 接口、DSP 数字信 号处理器等组成。 (1). Wave 合成器 Wave 合成器的模/ 数转换和数/ 模转换是声 卡上数据处理器件。 (2). MIDI 合成器 标准的多媒体计算机通过MIDI 合成器播放 MIDI 文件。 (3). 混音器 声卡上的混音器芯片可以对以下音源进行 混合:数字化声音(DAC) ，调频FM 合成音乐(FM) CD 音频(CD-ROM) ，线路输入(AUX) ，话筒输入 (MIC) 及PC 声音输出(SPK) 。 (4). MIDI 接口 声卡能够接收、录制及输出MIDI 信号， MIDI 接口完成电子音乐设备与声卡之间的信号 传输通道，通过软件控制可以将MIDI 音乐设备 演奏，反之，也可以将电子音乐设备上演奏的 音乐录制成MIDI 数据文件，在计算机中进行模 拟演奏或修改。 (5). CD-ROM 接口 CD-ROM 接口提供了从CD-ROM 的CD-DA 的输 出信号到声卡音源输入的通路，CD-ROM 播放CD 唱盘的音频时，将音频信号直接通过声卡的功 放送到扬声器，通过调节声卡的音量控制，即 可控制CD 唱盘的音量。 (6). DSP 数字信号处理器 用作对数字音频信号的实时压缩和解压 缩，以及用于语音朗读、语音识别等特殊音频 信号的处理。 了解了声卡的组成及工作原理后，可总结 出声卡有以下主要功能: (1). 录制与播放波形音频文件。 (2). 编辑与合成波形音频文件。 (3). MIDI 音乐录制和合成。 (4). 文语转换和语音识别。 2. 声卡的安装 (1). 硬件安装 步骤1 关闭计算机电源，拔下供电电源和所有 外接线插头。 步骤2 打开机箱外壳，选择一个空闲的16 位扩 展槽并将声卡插入扩展槽。 步骤3 连接来自CD-ROM 驱动器的音频输出线到 声卡的CD IN 针形输入线上; 步骤4 盖上机箱外壳，并将电源插头插回。 步骤5 声卡与其它外设的连接，按下页图进行。 LINE IN LINE OUT SPK OUT MIDI 录音机、CD 唱机等 线性输出 话筒 扬声器 线性输入 立体声放大器 MIDI 设备 MIC IN (2). 软件安装 对不同的声卡，软件的安装方法不完全相 同，需要按照 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 安装。 1). 安装驱动程序 声卡的驱动程序是控制声卡工作的必要程 序，不同的声卡驱动程序是不同的。 2). 安装应用程序 安装声卡的应用程序，例如混音器、录音 师和MIDI 编辑软件等。 3. 安装测试 声卡安装完成后，即可对声卡进行测试， 以检查声卡能否正常工作，可以使用 Windows 98 的“媒体播放机”进行测试。如果测试 时，没有声音播出，可能有两种情况:一是插孔 接触不良，请检测扬声器插孔、音量开关等;二 是配置产生冲突，进入控制面板的“系统”设置查 看是否有冲突。 2.4 音频数据制作 2.4.1 准备音频数据 2.4.2 音频编辑软件Cool Edit 2000 简介 返回 2.4.1 准备音频数据 1. 音频的获取途径 2. 音频的存储格式 3. 音频数据的编辑 1. 音频的获取途径 音频数据的获取方法主要有以下几种: (1). 使用声卡录制、采集声音信息，并以 文件的形式存储在计算机中。 (2). 使用声卡及MIDI 设备在计算机上创作 乐曲。 (3). 从互联网下载或购买音频光盘。 2. 音频的存储格式 在多媒体音频技术中，存储声音信息的文 件格式有多种，如WAV 、MIDI 、MP3 、RM 及CD 唱盘 数字音频。 (1). WAV 格式 (2). MIDI 格式 (3). CD.DA 格式 (4). MP3 格式 MP3 采用MPEG Layer 3 标准对WAVE 音频文件 进行压缩而成，以达到CD 唱盘的音质。 (5). RM 格式 RM 采用音频/ 视频流和同步回放技术来实现 在互联网上提供优质的多媒体信息。 3. 音频数据的编辑 音频数据的编辑包括声音的剪辑( 删除片段. 插入声音、混入声音) 、特殊效果的添加等操作。 除了Window 98 自带的“录音机”程序可进行音频的 制作编辑外，目前广泛使用的音频处理软件还有 Sound Forge 、Wave Edit 、Cool Edit 等。 2.4.2 音频编辑软件Cool Edit 2000 简介 1. Cool Edit 2000 的功能 2. Cool Edit 2000 应用程序界面 3. Cool Edit 2000 菜单结构 4. 音频的录制 5. 音频的基本编辑 6. 音频特殊效果编辑 1. Cool Edit 2000 的功能 使用 Cool Edit 2000 可以录制音频文件; 轻松地在音频文件中进行剪切、粘贴、合并、重 叠声音操作;提供有多种特效如放大、降低噪音 压缩、扩展、回声、延迟、失真、调整音调等。 使用它可以生成噪音、低音、静音、电话 信号等声音; 其他功能有自动静音检测和删除， 自动节拍查找等。 另外， 它还可以在多种文件格式之间进行 转换。 2. Cool Edit 2000 应用程序界面 Cool Edit 2000 应用程序界面主要由标 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 栏、菜单栏、工具条、状态栏、编辑区等组成。 3. Cool Edit 2000 菜单结构 (1). File 菜单 File 菜单主要包括Cool Edit 2000 的文档 操作命令。 (2). Edit 菜单 Edit 菜单提供基本的音频编辑命令。如剪 切、粘贴、混合粘贴( 插入、合并、重叠声音) 操 作、删除、全选、自动静音检测和自动节拍查找 等命令。 (3). View 菜单 View 菜单包含用于改变显示的有关命令。 (4). Transform 菜单 Transform 菜单提供多种音频特效改变命令. 如改变音量、静音、反转、降低噪音、延迟效果. 失真处理、调整音调等。 (5). Generate 菜单 Generate 菜单提供生成噪音、低音、静音、 电话信号等声音的命令。 (6). Analyze 菜单 Analyze 菜单提供文件或选择区域的频率分 析命令。 (7). Options 菜单 Options 菜单包含特征或用户定制选项命令. 4. 音频的录制 安装好声卡，将麦克风与声卡的MIC IN 连 接或将线性输入设备如录音机、CD 唱机等输出端 与声卡的LINE IN 接口正确连接。 然后运行 Cool Edit 2000 程序，执行 File|New 命令，弹出对话框。在对话框中选择采 样频率、量化位数、声道数后单击“确定”。然后 单击功能键中的录音按钮，开始录音，录制完毕 单击停止按钮停止录音。最后执行 File|Save 命 令保存声音文件。 5. 音频的基本编辑 在Cool Edit 2000 中，不管进行什么操作， 都要首先选择需要处理的区域，如果不选，Cool Edit 2000 则认为要对整个音频文件进行操作。 (1). 删除 选好要操作的选区，执行 Edit|Delete Selection 命令或直接按DEL 键就可 删除当前被选择的音频片段，这时后面的波形自 动前移。 (2). 剪切 执行Edit|Cut 命令将当前被选择的片段从 音频中移去并放置到内部剪贴板上。 (3). 拷贝 执行Edit|Copy 命令将拷贝选区到内部剪贴 板上。 (4). 粘贴 执行Edit|Pastet 命令将内部剪贴板上的数 据插入到当前插入点位置。 (5). 粘贴到新文件 执行Edit|Paste to new 命令可插入剪贴板 中的波形数据创建一个新文件。 (6). 拷贝到新文件 执行Edit|Copy to new 命令创建一个新文 件插入被选择的波形数据。 (7). 混合粘贴 执行Edit|Mix Paste 命令可以在当前插入 点混合剪贴板中音频数据或其它音频文件数据。 6. 音频特殊效果编辑 音频特殊效果编辑主要有反转、音量调节、 延时效果、降低噪音、调整音调。 (1). 反转 执行Transform|Reverse 命令，产生把声波 从后往前反向播放的特殊效果。 (2). 音量调节 执行Transform|Amplify|Amplify 命令 (3). 延时效果 执行Transform|Delay Effects|Echo 命令 (4). 降低噪音 执行Transform|Noise Reduction 命令 (5). 调整音调 执行Transform|Time/Pitch|Stretch 命令 使用声卡可对模拟音频信号进行采样量化 成数字信号，采样频率、量化位数和声道数影响 录音波形文件的质量。数字波形信号占很大的存 储空间，为提高计算机处理音频信号的效率，可 以使用多种编码对其进行压缩。利用MIDI 设备和 声卡，作曲家可在计算机上作曲，并且可以灵活 地编辑，如改变音色、音调、乐曲速度等。 音频数据可使用声卡录制来自麦克风的声 音、接收录放机的输出、使用MIDI 设备创作乐曲 或购买音频光盘等方式获得。 利用Cool Edit 2000 音频编辑软件可使轻 松地在音频文件中进行剪切、粘贴、合并、重叠 声音操作并提供有多种放大、降低噪音、延迟、 失真、调整音调等特效处理。 本章小结