音訊編碼基礎知識

helloxchen發表於2010-11-09

音訊編碼基礎知識

通常我們採用脈衝程式碼調製編碼,即PCM編碼。PCM透過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續變化的模擬訊號轉換為數字編碼。

1、什麼是取樣率和取樣大小(位/bit)?

  頻率對應於時間軸線,振幅對應於電平軸線。波是無限光滑的,絃線可以看成由無數點組成,由於儲存空間是相對有限的,數字編碼過程中,必須對絃線的點進行取樣。取樣的過程就是抽取某點的頻率值,很顯然,在一秒中內抽取的點越多,獲取得頻率資訊更豐富,為了復原波形,一次振動中,必須有2個點的取樣,人耳能夠感覺到的最高頻率為20kHz,因此要滿足人耳的聽覺要求,則需要至少每秒進行40k次取樣,用40kHz表達,這個40kHz就是取樣率。我們常見的CD,取樣率為44.1kHz。光有頻率資訊是不夠的,我們還必須獲得該頻率的能量值並量化,用於表示訊號強度。量化電平數為2的整數次冪,我們常見的CD位16bit的取樣大小,即2的16次方。取樣大小相對取樣率更難理解,因為要顯得抽象點,舉個簡單例子:假設對一個波進行8次取樣,取樣點分別對應的能量值分別為A1-A8,但我們只使用2bit的取樣大小,結果我們只能保留A1-A8中4個點的值而捨棄另外4個。如果我們進行3bit的取樣大小,則剛好記錄下8個點的所有資訊。取樣率和取樣大小的值越大,記錄的波形更接近原始訊號。

2、有損和無損

  根據取樣率和取樣大小可以得知,相對自然界的訊號,音訊編碼最多隻能做到無限接近,至少目前的技術只能這樣了,相對自然界的訊號,任何數字音訊編碼方案都是有損的,因為無法完全還原。在計算機應用中,能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼,被廣泛用於素材儲存及音樂欣賞,CD、DVD以及我們常見的WAV檔案中均有應用。因此,PCM約定俗成了無損編碼,因為PCM代表了數字音訊中最佳的保真水準,並不意味著PCM就能夠確保訊號絕對保真,PCM也只能做到最大程度的無限接近。我們而習慣性的把MP3列入有損音訊編碼範疇,是相對PCM編碼的。強調編碼的相對性的有損和無損,是為了告訴大家,要做到真正的無損是困難的,就像用數字去表達圓周率,不管精度多高,也只是無限接近,而不是真正等於圓周率的值。

3、為什麼要使用音訊壓縮技術

  要算一個PCM音訊流的位元速率是一件很輕鬆的事情,取樣率值×取樣大小值×聲道數bps。一個取樣率為44.1KHz,取樣大小為16bit,雙聲道的PCM編碼的WAV檔案,它的資料速率則為 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我們常說128K的MP3,對應的WAV的引數,就是這個1411.2 Kbps,這個引數也被稱為資料頻寬,它和ADSL中的頻寬是一個概念。將位元速率除以8,就可以得到這個WAV的資料速率,即176.4KB/s。這表示儲存一秒鐘取樣率為44.1KHz,取樣大小為16bit,雙聲道的PCM編碼的音訊訊號,需要176.4KB的空間,1分鐘則約為10.34M,這對大部分使用者是不可接受的,尤其是喜歡在電腦上聽音樂的朋友,要降低磁碟佔用,只有2種方法,降低取樣指標或者壓縮。降低指標是不可取的,因此專家們研發了各種壓縮方案。由於用途和針對的目標市場不一樣,各種音訊壓縮編碼所達到的音質和壓縮比都不一樣,在後面的文章中我們都會一一提到。有一點是可以肯定的,他們都壓縮過。

4、頻率與取樣率的關係

  取樣率表示了每秒對原始訊號取樣的次數,我們常見到的音訊檔案取樣率多為44.1KHz,這意味著什麼呢?假設我們有2段正弦波訊號,分別為20Hz和20KHz,長度均為一秒鐘,以對應我們能聽到的最低頻和最高頻,分別對這兩段訊號進行40KHz的取樣,我們可以得到一個什麼樣的結果呢?結果是:20Hz的訊號每次振動被取樣了40K/20=2000次,而20K的訊號每次振動只有2次取樣。顯然,在相同的取樣率下,記錄低頻的資訊遠比高頻的詳細。這也是為什麼有些音響發燒友指責CD有數碼聲不夠真實的原因,CD的44.1KHz取樣也無法保證高頻訊號被較好記錄。要較好的記錄高頻訊號,看來需要更高的取樣率,於是有些朋友在捕捉CD音軌的時候使用48KHz的取樣率,這是不可取的!這其實對音質沒有任何好處,對抓軌軟體來說,保持和CD提供的44.1KHz一樣的取樣率才是最佳音質的保證之一,而不是去提高它。較高的取樣率只有相對模擬訊號的時候才有用,如果被取樣的訊號是數字的,請不要去嘗試提高取樣率。

  因為,根據耐奎斯特取樣理論,你的取樣頻率必須是訊號最高頻率的兩倍。例如,音訊訊號的頻率一般達到20Hz,因此其取樣頻率一般需要40Hz。 而人耳收聽的範圍只能到23Khz以下,所以CD的取樣率才是44.1Khz。22Khz×2=44Khz,考慮到一定的餘量採用44.1Khz.

5、流特徵

  隨著網路的發展,人們對線上收聽音樂提出了要求,因此也要求音訊檔案能夠一邊讀一邊播放,而不需要把這個檔案全部讀出後然後回放,這樣就可以做到不用下載就可以實現收聽了。也可以做到一邊編碼一邊播放,正是這種特徵,可以實現線上的直播,架設自己的數字廣播電臺成為了現實。

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