3.3　音频数字化

模拟信号转换成数字信号的过程简写为A/D（或ADC）。

3.3.1　数字音频概念及优缺点

概念：数字音频计算机的数据是以0、1的形式存取的，数字音频就是首先将音频文件转化，接着将这些电平信号转化成二进制数据保存，播放的时候把这些数据转换为模拟的电平信号再送到喇叭播出，数字声音和一般磁带、广播、电视中的声音就存储播放方式而言有着本质区别。

优缺点：模拟和数字录音机都可以精确地重放输入信号，但是它们之间有些微妙的差别。数字录音作品几乎不会为信号加入噪声或失真，所以通常被称之为“干净”的录音作品，而且它存储方便、存储成本低廉、存储和传输的过程中没有声音的失真、编辑和处理方便。

3.3.2　音频的数字化过程

1.声卡

声卡是处理声音信号的关键设备，是计算机与外围设备进行信号交换的媒介，也是计算机处理音频信号的主要硬件工具。一块典型的声卡主要由线路板上各种电子元件和形状各异的输入和输出接口构成。

声卡的功能：对于音频信号来说，声卡的功能是将外部输入的模拟信号转换为数字信号（称为“模/数”转换），利用计算机的CPU或者声卡自身的DSP芯片进行处理，然后将数字信号转为模拟信号（称为“数/模”转换），将信号输出到外部的设备中进行存储或重放。

2.音频数字化的重要参数及设备

（1）比特深度（bit depth）

单位：bit。

比特率是指将模拟声音信号转换成数字声音信号后，单位时间内的二进制数据量，表示单位时间（1s）内传送的比特数（bit per second，bit/s）的速度。比特率越大的音质就越好。

（2）采样率（sampling rate）

单位：Hz。

采样率或是采样频率是音频数字化时对模拟信号测量时的速率。例如，一个48kHz的采样率就是每秒有48000个采样。常见采样率为44kHz、48kHz、96kHz。采样率越高，被记录下来的信息越多，录音的频率响应越宽广。同时需要更大的磁盘存储空间以及更快的硬盘驱动。

（注：CD-Audio为44kHz、16bit；DVD-Vedio为48kHz、16bit；DVD-Audio为48kHz、24bit）

（3）时钟（The clock）

每一台数字音频设备都有它的时钟或内部振荡器用于采样的定时设定。时钟相当于一个乐队的指挥，在采样率下有一系列的脉冲信号，当数字音频从一台设备转移到另一台设备上时，就依靠这个脉冲信号进行同步。

3.模拟转数字（A/D）和数字转模拟（D/A）

模拟转数字（A/D）和数字转模拟（D/A）的转换过程如图3-10所示。

4.声卡的工作流程

声卡的工作流程如图3-11所示。

（1）晶振

从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片，通过振动产生采样时钟频率。

（2）Codec

Codec是音频控制芯片，是多媒体数字信号解码器。专门负责模拟信号到数字信号的转换以及数字信号到模拟信号的转换工作。

（3）DAC

某些高档的声卡上，由专门的芯片DAC进行数字信号到模拟信号的转换。因为功能的独立、单一的芯片往往容易具有更高的质量。

（4）音频加速器

由DSP+I/O控制器组成：DSP即数字信号处理器，相当于声卡上的CPU。I/O控制器为输入/输出控制器，专门负责控制声卡信号的输入/输出，不提供额外的运算能力。

（5）MIDI

MIDI音乐设备数字接口，是计算机与音乐设备交流和同步的协议。

3.3.3　常见数字音频文件格式

数字音频文件包含所有通过模数转换器采集来的数据。数字音频文件的大小基于三个因素：采样频率、比特深度和时间。主要有以下几种常用的音频文件格式。

AIFF：音频交换文件格式，由苹果公司开发。

WAV：波形音频格式，由微软公司开发。

MP3是一种音频文件格式压缩，在消费市场非常流行。MP3的压缩率可以使文件大小变为原来的1/10，同时保持可接受的音质。绝大多数的人区分不了WAV文件和MP3文件之间的音质差异。

BWF：广播声波格式。SMPTM时间码是一种时间标记系统，给视频或电影中的每一帧都生成一个特定的地址。

MIDI：20世纪80年代初期，DavidSmith研制出乐器数字化接口（Musical Instrument Digital Interface，MIDI），这是一种使计算机与音乐设备交流和同步的协议。

3.3.4　常用音频处理软件

1.Adobe Audition

熟悉计算机音频的人或许不知道Adoube Audition这个名字，但是提到Cool Edit Pro，恐怕没有人不知道了，它是美国Syntrillium公司出品的著名音频编辑软件。在它发展到2.1版本以后，Syntrillium公司被著名的Adobe公司兼并，Adobe给Cool Edit Pro重新起了一个名字叫做Audition。这款软件最大的特点就是兼容Adobe旗下的其他软件，可以实现文件共享。

2.Samplitude

由德国的Magix公司出品的“数字音频工作站”软件，用以实现数字化的音频制作。Magix公司著名的Samplitude一直是国内用户范围最广、备受好评的专业级音乐制作软件，它集音频录音、MIDI制作、缩混、母带处理于一身，深受国内用户的广泛喜爱。相对于其他的专业软件来说，其功能强大、兼容性好，资源丰富，保真，操作非常便捷。

3.Cubase/Nuendo

Cubase/Nuendo是德国Steinberg公司所开发的全功能数字音乐、音频工作软件。Steinberg公司属于国际著名音乐品牌YAMAHA旗下。这款软件作为Steinberg公司的旗舰产品，对MIDI音序功能、音频编辑处理功能、多轨录音缩混功能、视频配乐以及环绕声处理功能均属世界一流。相比于其他专业软件，这款软件在编曲上有着非常显著的优势。

4.Pro Tools

Pro Tools是Avid公司出品的工作站软件系统，最早只是在苹果计算机上出现，后来也有了PC版。Pro Tools软件内部算法精良，对音频、MIDI、视频都可以很好地支持，由于其算法的不同，单就音频方面来讲，其回放和录音的音质大大优于现在PC上流行的各种音频软件。Pro Tools现在已经成为一种行业标准，无论是影视上还是在音乐上都有着领头的作用。

3.3.5　MIDI数字音乐

MIDI线缆传输的不是音频信号，而是通过5针的标准线缆传输数字信号。新型的火线和USB协议也是如此。

MIDI设备和接口允许用户连接合成器和其他设备到数字音频工作站，以便通过外设键盘控制软件模块，这样可以实时演奏数字乐器。

MIDI设备如图3-12至图3-15所示。