PCM 音頻格式分析

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 PCM文件:模擬音頻信號經模數轉換(A/D變換)直接形成的二進制序列,該文件沒有附加的文件頭和文件結束標誌。Windows的Convert工具可以把PCM音頻格式的文件轉換成Microsoft的WAV格式的文件。   


          將音頻數字化,其實就是將聲音數字化。最常見的方式是透過脈衝編碼調製PCM(Pulse Code Modulation) 。運作原理如下。首先我們考慮聲音經過麥克風,轉換成一連串電壓變化的信號,如圖一所示。這張圖的橫座標爲秒,縱座標爲電壓大小。要將這樣的信號轉爲 PCM 格式的方法,是使用三個參數來表示聲音,它們是:聲道數採樣位數採樣頻率

         採樣頻率:即取樣頻率,指每秒鐘取得聲音樣本的次數。採樣頻率越高,聲音的質量也就越好,聲音的還原也就越真實,但同時它佔的資源比較多。由於人耳的分辨率很有限,太高的頻率並不能分辨出來。在16位聲卡中有22KHz、44KHz等幾級,其中,22KHz相當於普通FM廣播的音質,44KHz已相當於CD音質了,目前的常用採樣頻率都不超過48KHz。 

        採樣位數:即採樣值或取樣值(就是將採樣樣本幅度量化)。它是用來衡量聲音波動變化的一個參數,也可以說是聲卡的分辨率。它的數值越大,分辨率也就越高,所發出聲音的能力越強。
 
         聲道數很好理解,有單聲道和立體聲之分,單聲道的聲音只能使用一個喇叭發聲(有的也處理成兩個喇叭輸出同一個聲道的聲音),立體聲的pcm可以使兩個喇叭都發聲(一般左右聲道有分工) ,更能感受到空間效果。 
聲波曲線1 聲波曲線2 聲波曲線3
下面再用圖解來看看採樣位數和採樣頻率的概念。讓我們來看看這幾幅圖。圖中的黑色曲線表示的是pcm文件錄製的自然界的聲波,紅色曲線表示的是pcm文件輸出的聲波,橫座標便是採樣頻率;縱座標便是採樣位數。這幾幅圖中的格子從左到右,逐漸加密,先是加大橫座標的密度,然後加大縱座標的密度。顯然,當橫座標的單位越小即兩個採樣時刻的間隔越小,則越有利於保持原始聲音的真實情況,換句話說,採樣的頻率越大則音質越有保證;同理,當縱座標的單位越小則越有利於音質的提高,即採樣的位數越大越好。

          在計算機中採樣位數一般有8位和16位之分,但有一點請大家注意,8位不是說把縱座標分成8份,而是分成2的8次方即256份; 同理16位是把縱座標分成2的16次方65536份; 而採樣頻率一般有11025HZ(11KHz),22050HZ(22KHz)、44100Hz(44KHz)三種。


          那麼,現在我們就可以得到pcm文件所佔容量的公式:
存儲量=(採樣頻率*採樣位數*聲道)*時間/8(單位:字節數)

例如,數字激光唱盤(CD-DA,紅皮書標準)的標準採樣頻率爲44.lkHz,採樣數位爲16位,立體聲(2聲道),可以幾乎無失真地播出頻率高達22kHz的聲音,這也是人類所能聽到的最高頻率聲音。激光唱盤一分鐘音樂需要的存儲量爲:     
(44.1*1000*l6*2)*60/8=10,584,000(字節)=10.584MBytes
這個數值就是pcm聲音文件在硬盤中所佔磁盤空間的存儲量。

計算機音頻文件的格式決定了其聲音的品質,日常生活中電話、收音機等均爲模擬音頻信號,即不存在採樣頻率和採樣位數的概念,我們可以這樣比較一下:
          44KHz,16BIT的聲音稱作:CD音質;
          22KHz、16Bit的聲音效果近似於立體聲(FM Stereo)廣播,稱作:廣播音質;
          11kHz、8Bit的聲音,稱作:電話音質。 
          微軟的WAV文件就是pcm編碼的一種。


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