音頻的數(shù)字化處理技術(shù)探究

（陜西省榆林學(xué)院藝術(shù)學(xué)院，陜西榆林，719000）

音頻的數(shù)字化處理技術(shù)探究

趙一鳴

（陜西省榆林學(xué)院藝術(shù)學(xué)院，陜西榆林，719000）

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，音頻的數(shù)字化處理技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。本文闡述了音頻信號的定義，并從音頻信號的采集、量化、編碼、壓縮、噪聲處理、提取、抗混迭濾波等方面對音頻信號的數(shù)字化處理進(jìn)行了闡述。通過本文的分析論述對音頻數(shù)字化技術(shù)有了全面的認(rèn)識，為其應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

音頻；數(shù)字化；處理技術(shù)

0 引言

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在模擬信號的條件下，無論怎樣改進(jìn)優(yōu)化技術(shù)，不能明顯提高語音信號的音質(zhì)，滿足人們的試聽要求，因此數(shù)字技術(shù)處理語音信號技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。音頻的數(shù)字處理技術(shù)涉及的方面較多，包括信號的數(shù)字處理、模式識別、人工智能、語音學(xué)、編碼學(xué)等，在信息化技術(shù)中，音頻數(shù)字化是一個發(fā)展很迅速的方向。本文分析闡述了音頻數(shù)字化的過程，對音頻的數(shù)字化處理有了更加清楚的認(rèn)識。

1 音頻信號的定義

音頻信號是一種信息載體，承載著聲波的頻率變化信息，其聲波信息包括音樂、語音、音效等。音頻信息根據(jù)聲波的不同特征可以分為規(guī)則音頻和不規(guī)則的音頻，規(guī)則音頻是一種模擬信號，并且這種信號是連續(xù)變化的，可以用聲波來表示。音頻的信號特征由頻率、相位和幅度三個參數(shù)決定。

2 音頻信號的處理

音頻的數(shù)字化處理包括兩種過程，一種是采用信號處理器，通過一些輔助結(jié)構(gòu)組建獨(dú)立的信號處理系統(tǒng)；另一種是以電腦作為處理器，連接數(shù)字化信號處理板組成一個數(shù)字化的處理系統(tǒng)。后者主要用于音頻的合成和識別。音頻的數(shù)字化處理包括音頻的信號采集、音頻信號的編碼、音頻信號的壓縮、以及音頻信號的處理等過程。所謂音頻數(shù)字化處理技術(shù)一般是指把模擬聲音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,包括采樣、量化和編碼,通過編碼得到二進(jìn)制數(shù)字信號,然后就可以存It、傳輸數(shù)字信號,逆過程就是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號,轉(zhuǎn)化完后就得到可以播放的聲音,音頻信號數(shù)字化處理流程圖如圖1所示。

圖1 音頻信號數(shù)字化處理流程圖

2.1音頻信號的采集

音頻信號的采集是對連續(xù)信號按照一定的時間間隔進(jìn)行的；根據(jù)奈奎斯特定理，如果想要恢復(fù)出完整的信號，其取樣的頻率要大于或者是等于信號中最高頻率的兩倍，這就是說，在信號的最高頻率時，每一周期最少要取兩個點(diǎn)。在實際的取樣操作中，取得的信號要想更接近于原始信號使用混疊波形。音頻信號的輸入形勢主要有麥克風(fēng)和線路輸入兩種形式。單聲道16 bit的PCM格式的音頻信號采集過程為：首先音頻設(shè)備要進(jìn)行初始化，然后設(shè)置緩沖區(qū)，最后打開聲譜分析模塊，連接被采集的數(shù)據(jù)信號，一切就緒就可以讀取音頻數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理。

2.2音頻信號的量化和編碼

量化就是取樣的離散音頻轉(zhuǎn)化成計算機(jī)能夠表示的數(shù)據(jù)范圍的過程。量化的等級取決于用多少二進(jìn)制數(shù)來表示一個音頻數(shù)據(jù)，一般有8位、12位、16位，位數(shù)越高，聲音的保真度越高。編碼就是量化的音頻信號編碼成二進(jìn)制，實際上就是音頻信號編碼的過程。不一樣的取樣頻率和不一樣的位數(shù)，其所需要的存貯空間也是不一樣的。數(shù)字化音頻采樣量化的過程如圖1所示，數(shù)字音頻編碼的過程如表1所示。

圖2 音頻信號的數(shù)字化處理過程

2.3音頻信號的壓縮

由于采集到的音頻數(shù)據(jù)量巨大，存儲占據(jù)的空間大，不易傳輸，所以需要對信號進(jìn)行壓縮，數(shù)字音頻壓縮技術(shù)對音頻的處理越來越重要。音頻信號在壓縮過程中，在一定程度上允許失真，只要壓縮后的聲音和原來的聲音聽上去一樣就可以。衡量數(shù)字壓縮能力的指標(biāo)是壓縮比，當(dāng)壓縮比為1時，解壓后的數(shù)據(jù)信息和原來的一樣，沒有耗損；當(dāng)其小于1時，會丟失一些信息，但是對還原數(shù)據(jù)沒有影響，通常壓縮比越大丟失的數(shù)據(jù)信息越多。常用的音頻壓縮編碼有PCM、RA、MP3、ADPC等。

根據(jù)音頻信號的壓縮方法不同，音頻的壓縮分為波形編碼壓縮、參數(shù)編碼壓縮和多種壓縮技術(shù)相互融合的混合壓縮等。波形編碼技術(shù)主要是指根據(jù)一定的采樣速率，對音頻信號的時域波形或者是頻域波形進(jìn)行采集，采集之后分層量化幅度樣本，使其變?yōu)閿?shù)字代碼，根據(jù)波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生重構(gòu)信號。該種壓縮方法的優(yōu)點(diǎn)是語音的質(zhì)量較好、適應(yīng)能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是編碼的速率過高，一般語音壓縮或者是低碼率對信號寬帶要求不嚴(yán)格的通信中采用該種方法。參數(shù)編碼主要是指信號的頻率域或者是其他的特征參數(shù)，這些特征參數(shù)的傳輸是通過轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼的形式，提取和編碼信號特征參數(shù)，在解碼時對其進(jìn)行恢復(fù)，該種方法的優(yōu)點(diǎn)是壓縮率以及壓縮效率都較高，缺點(diǎn)是音頻的算法很復(fù)雜，合成語音的音質(zhì)不好，抗噪聲干擾的能力差?；旌蠅嚎s技術(shù)結(jié)合了以上兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了以上兩種技術(shù)的缺點(diǎn)，對音頻數(shù)據(jù)的壓縮效果較好?；旌暇幋a主要包括MPLPC、KPELPC、CELP等編碼技術(shù)。采用混合壓縮技術(shù)其音質(zhì)和數(shù)據(jù)率在參數(shù)編碼和波形編碼兩者之間。

2.4音頻信號的處理

音頻信號處理的關(guān)鍵是模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號-模擬信號轉(zhuǎn)換這兩個過程，只要完成了這兩個過程，模擬信號的輸入、輸出就會非常簡單，這個信號的處理過程可以通過獨(dú)立的芯片系統(tǒng)來完成。音頻信號的處理包括音頻信號的提取、噪聲處理、抗混疊濾波三方面。

2.4.1 音頻信號的提取

對模擬信號進(jìn)行處理的目的就是提取出有用的信息，盡可能的去除噪聲，或者是提高信噪比。在信號的處理過程中，有時會出現(xiàn)信號失真的情況，避免產(chǎn)生失真問題的關(guān)鍵就是使用高質(zhì)量的電子元器件。在信號處理系統(tǒng)中，模擬器件占的地位越來越重要。通常在信號處理過程中，為了簡化模擬的設(shè)計要求和其技術(shù)的規(guī)格，通常會采取更加復(fù)雜的數(shù)字處理方法。比如說，系統(tǒng)為了減少使用模擬器所帶來的復(fù)雜度，會采用過采樣的策略。

在數(shù)字信號的處理過程中，模擬信號首先轉(zhuǎn)換成模擬電壓，再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)值，在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中一般為2進(jìn)制補(bǔ)碼，數(shù)字信號處理的電子器件很容易設(shè)計，兩個離散值對應(yīng)兩個模擬電壓值，采用數(shù)字信號的處理算法如二進(jìn)制加法器、存儲器、乘法器等，它們是高速算術(shù)運(yùn)算的核心部件。

2.4.2 音頻信號的噪聲處理

在一般情況下，采集到的音頻信號都有噪聲的分量，這些噪聲需要被盡可能的刪減或者是消除。如果信號的特征和本身的技術(shù)明顯不同，則容易被消除，若有用信號的頻率和噪聲的頻率不相同時，則需要根據(jù)信號的頻率范圍和信號的功率電平等來處理。

2.4.3 音頻信號的抗混迭濾波

抗混迭濾波器保證信號混迭失真不影響整個數(shù)字信號處理系統(tǒng)，重構(gòu)混迭濾波器保證在輸出信號中不出現(xiàn)高頻噪聲?；斓F(xiàn)象就是在低于奈奎斯特率的頻率的情況下對信號進(jìn)行采樣，出現(xiàn)信號頻率信息丟失的情況，如果出現(xiàn)信號大于頻率分量的情況，就會發(fā)生混迭的現(xiàn)象，發(fā)生混迭就表示信號失真。

3 結(jié)束語

數(shù)字音頻技術(shù)已經(jīng)影響著人們生活的各個方面，人們對它的研究也從未停止過。本文對音頻數(shù)字化處理技術(shù)進(jìn)行了研究，主要分析了音頻的采集、音頻的量化和編碼、音頻的壓縮方法包括波形編碼壓縮方法、參數(shù)編碼壓縮方法和多種壓縮技術(shù)相互融合的混合壓縮方法、音頻信號的噪聲處理、抗混迭濾波等方面進(jìn)行了研究。希望通過對音頻數(shù)字技術(shù)的研究，讓它更好的為我們的生活服務(wù)。

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[2] 韋曉霞.電視傳媒視音頻資料數(shù)字化存儲技術(shù)應(yīng)用[J].中國傳媒科技,2013,12:78-79.

[3] 丁榮格.音頻編碼技術(shù)在數(shù)字化傳輸中的應(yīng)用[J].計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2013,13:50-52.

趙一鳴，男，1979年1月26日，陜西靖邊縣人，碩士學(xué)歷，講師，研究方向：音樂教育、計算機(jī)音樂

Research on digital audio processing technology

Zhao Yiming
(Shaanxi Province, Yulin City, Shaanxi province the Art College of Yulin University in，719000)

With the development of computer network technology,digital processing technique is applied more and more widely in the audio.This paper introduces the definition of the audio signal,and from the collecti on,quantization,encoding,compression,noise processing,extraction,anti alias digital processing stack filter and other aspects of the audio signal to audio signal is discussed in this paper.Through the analysis of this audio digital technology has a comprehensive understanding,to lay the theoretical foundation for its application.

audio;digital;processing technology