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8. 数字化表达方式

在前面“数字化表达方式”章节中我们曾经介绍过,通常有两种描述声音的方法:模拟表达以及数字表达。

模拟表达用持续的电压波动来重现声源振动引起的气压波动。这种用电压信号表达声音的方法被称为模拟信号。模拟信号的一个重要的特点是表达声音的电压连续不断变化。

数字采样 是一个将声音的表达从模拟信号转换成数字信号的过程。数字采样中的数字(Digital)是用来表示声音的。

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图表 8-1: 模拟信号可以送入模数转换器(A/D转换器,ADC),转换成数字信号或者存为数字录音。

从技术的角度来说,数字采样和数字录音指的是同样的过程。声音的数字化表达是用一系列的数字来表达连续的电压波动的模拟信号。数字采样的数字信息是通过测量相等间隔振幅的瞬时数值产生的。每一个数值都是一个 采样点。(注意到“采样”这个词同样用于描述这一章的整个概念。)虽然测量点不能包括模拟信号上所有的点,但是大量的采样点已经能够精确地将模拟信号在数字信号域中表达出来。

模拟到数字转换过程产生的波形并不是模拟波形的精确复制,而是一个对原始波形的近似。

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范例 8-2: 一个模数转换器对模拟信号波形进行采样,得到模拟波形的近似。

在数字采样过程中有两个重要的方面:一个方面是振幅的采样速率,一个是采样的具体方法。

测量振幅数值的速率叫做 采样率,通常以每秒测量次数,采样点来表示。每秒采样44100,48000次是标准采样率,当然,其他采样率,从每秒采样6000次到每秒采样96000次都属于常见采样率。

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范例 8-3: 采样率是指每秒测量振幅的数值或者说采样点的个数。我们来听一下采样率4000,8000以及22000的样本。

采样率必须至少达到波形最高频率分量的两倍才能准确的表示波形中的 频率。这里的最低采样率叫做 奈奎斯特采样率;给定采样率能表示的最高频率叫做 奈奎斯特频率

虽然经过采样的波形与原始波形有所不同,但是所表达的频率是准确的。当回放的时候,滤波器能够处理采样得到的波形,将边角进行平滑处理,得到原本的波形形式。

频谱混叠 是在数字代表过程当中产生的错误,或者说是混叠的原本不存在的频率。如果采样率没有达到至少最高频率分量的两倍,那么,频率混叠现象将会发生。

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范例 8-4: 采样率越高,数字化的波形表达的高频分量就越精确。

分辨率 是指数字录音(或者数字合成系统)在振幅上可以表达的离散数字的最大数量。一个数字系统不可能录制无数的振幅信息。有些系统只能储存几百个不同的数值,有些系统则可以储存成千上万。

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范例 8-5: 振幅的测量值必须要近似到最近的一个数字。

有时候数字代表的振幅数字在两个分辨率的中间,因此,必须要将数字近似到高一点或者低一点的相邻点。如果测量结果介于两个可表达的数字之间,那么就要对测量结果进行近似。

很显然,越少的近似代表越好的模拟信号到数字域的转换。越少的近似代表越高的分辨率,一个有很高分辨率的系统可以制作更好的声音。一个系统的分辨率通常用比特来描述:如“8比特”或者“16比特”。一个8比特的系统能表示256个不同的数值,一个16比特的可以表达65536个不同的振幅数值。很显然,16比特的录音相比8比特表达更加准确。