数字化原理

数字化原理

数字化的原理：

普通的CD采用了数字技术，不过它只是简单地把模拟信号加以数字化。为了把模拟信号数字化，首先要对模拟信号进行采样。根据Nyquest采样定律，通常其采样频率至少是信号中的最高频率分量的两倍。对于高质量的音频信号，其频率范围是从20Hz-20kHz。所以其采样频率必须在40kHz以上。在CD中采用了44.1kHz的采样频率。在对模拟信号采样以后，还必须对其幅度上加以分层。在CD中，其分层以后的幅度信号用16比特的二进制信号来表示，也就是把模拟的音频信号在幅度上分为65,536层。这样，它的动态范围就可以达到96分贝=20Log65536(6分贝/比特)。这种直接模数(A/D)变换的方法也称为PCM编码。直接数字化的最大缺点是比特率非常高。达到44.1x16=705.6kbps，或即88.2kBps。比特率高就意味着要求的存储容量很大。要记录1分钟的音乐，就需要5.047MB的存储容量。对于两路立体声，就需要10.584MB。而要记录几十分钟的音乐就需要几百兆的存储容量。

信号的压缩：

因为音频信号数字化以后需要很大的存储容量来存放，所以很早就有人开始研究音频信号的压缩问题。音频信号的压缩不同于计算机中二进制信号的压缩，在计算机中，二进制信号的压缩必须是无损的，也就是说，信号经过压缩和解压缩以后，必须和原来的信号完全一样，不能有一个比特的错误。这种压缩称为无损压缩。但是音频信号的压缩就不一样，它的压缩可以是有损的只要压缩以后的声音和原来的声音听上去和原来的声音一样就可以了。因为人的耳朵对某些失真并不灵敏，所以，压缩时的潜力就比较大，也就是压缩的比例可以很大。音频信号在采用各种标准的无损压缩时，其压缩比顶多可以达到1.4倍。但在采用有损压缩时其压缩比就可以很高。下面是几种标准的压缩方法的性能。按质量由高往低排列。

需要注意的是，其中的Mbyte不是正好1兆比特，而是1024x1024=1048576Byte。必须指出，这些压缩都是以牺牲音质作为代价的，尤其是最后两种方法，完全靠降低采样率和降低分辨率来取得的。这对音质的损失太大，所以这些方法并不可取。