将模拟音频向数字音频的转换过程是怎样的

Inasherarenda · 发表于 2015-2-8 13:49:55

首先，模拟音频是怎样被记录的？

模拟音频的记录就是通过唱片（LP）表面的起伏跌宕（当然细小到你很难看见，而且并非是表面纹路形成的沟痕的底部，因为底部容易积灰——事实上这些跌宕起伏是存在于纹路的两侧）或者是磁带上的磁粉引起的磁场强度来表示音箱上振膜的即时位置，比如说，当唱片表面在某一时刻比前一时刻的纹路呈下降趋势时，音箱上的振膜就会向里收缩；如果呈上升趋势，音箱上的振膜就会向外舒张。参考来源 [1] 中给出了一个用于演示的简单视频。他们两个在理想情况下呈比例关系 [2]。

而实际上所谓的双声道，单声道就是指需要记录几个信号，你可以理解为，如果是双声道的磁带，那么在记录同一时刻（磁带上的同一个位置）会有两个轨道，一个负责记录左边耳机振膜的位置，一个负责记录右边耳机振膜的位置。以此推类，多声道的模拟信号也可以这样实现。

那么模拟音频转化为数字音频的过程是怎样的？实际上模拟音频与数字音频的区别就是连续信号与离散信号的区别。连续信号的特点是连续，比如唱片，比如磁带，磁带在播放时磁带的移动是连续水平移动的，唱机的唱针在唱片上运动时是连续变化的。这意味着信号不会失真，但是保存这样的介质就会非常困难，比如说唱片会磨损，磁带也会老化。

那么有没有一种方法可以将这些模拟音频的信号保存起来呢？目前人们所使用的方法就是用数字来记录下这些信息。这些模拟信息一旦被数字保存当然就方便多了，比如说，数字可以被永久的保存，圆周率的数字再过多少年也不会改变，不会磨损；比如说，数字可以被传输，可以方便大家交流。

那么如何将模拟音频转化为数字音频？

类似于丈量土地的办法，由于连续的信号理论上来讲其信息量是无穷的，那么人们就通过采样的办法，例如，将磁带上每隔一段距离（采样），就记录下该处的磁场强度（量化），或者当唱针相对唱片每走过相同的一段距离（采样），就测量一下此时唱针的高度（量化）。经过这样的处理，我们就得到了各个时刻所对应的一些数值，然后用这些数值来当做原本唱片的信息。就这样，我们就完成了模拟信号——数字信号，或者说是模拟音频——数字音频的转换。

那么CD标准是什么含义呢？

CD的标准用这样的思路就很好解释了，它将每秒钟分为44100个小段，每一段的开头采集一次标本。采集的标本用多大的数字衡量？这也是个问题，毕竟你可以将这些标本的最小值设定为0（没有声音），那么最大值（比如说要让音箱的振膜能发出类似飞机的轰鸣声这么大的声音）设定为多少？设定为一万或者是十万，区别就是对振膜具体位置的量化精度了。当设置为十万时，意味着对每一个标本的振膜位置估计会更加准确，就像一个用卷尺去量，一个用千分尺去量一样。CD标准采用了16bit，也就是2的16次方，65536个数字来衡量。这也就意味着不管是什么时刻的标本，其所代表的振膜位置只能处于0-65535这些数字中的一个值（当然由于振膜应当是在平衡位置前后振动的，所以考虑到振膜发生正向和负向位移时，振膜位置应当处于−32768到+32767当中的一个值）。最后，CD标准规定了其为2声道，也就意味着同一时刻有且仅有两个信息被记录。当你在家里听CD时，即使是接驳了5.1声道的音箱，实际上也只是通过软件模拟出的5.1声道效果。而如果是电台播放的单声道节目，则是将两个声道的信号混在一起。

[1] http://v.youku.com/v_show/id_XMzUxMzc4NTg4.html
[2] 由振膜质点的振动来模拟音场的理论依据来源于惠更斯－菲涅尔原理，但是在实际情况下振膜对于质点运动的还原效果并不可靠。 http://www.soomal.com/doc/10100002739.htm由于受到振膜加工精度的影响以及振膜自身的物理性质的影响，振膜对高频声音（比如小提琴）的还原存在着很大的误差，例如振膜在振动过程中会发生变形，从而产生分割振动。http://www.soomal.com/doc/10100002728.htm但是目前除了使用性能更优良的材料以及采取精度更高的加工方式以削弱这样的负面效果以外，还没有更好的办法来提高还原度。这也是天价音箱之所以售价极高的原因之一。

anxin · 发表于 2015-7-31 08:52:22

简单的说就是抽样，量化，编码三步
模拟声音信号在时域上是以波的形式存在的，从时域上对声波进行抽样，以波形幅度做量化，通过一定的编码形式进行编码，如AES/EBU编码，即可从模拟音频信号转化为数字音频信号。

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