3.3　音頻數字化

模擬信號轉換成數字信號的過程簡寫為A/D（或ADC）。

3.3.1　數字音頻概念及優缺點

概念：數字音頻計算機的數據是以0、1的形式存取的，數字音頻就是首先將音頻文件轉化，接著將這些電平信號轉化成二進制數據保存，播放的時候把這些數據轉換為模擬的電平信號再送到喇叭播出，數字聲音和一般磁帶、廣播、電視中的聲音就存儲播放方式而言有著本質區別。

優缺點：模擬和數字錄音機都可以精確地重放輸入信號，但是它們之間有些微妙的差別。數字錄音作品幾乎不會為信號加入噪聲或失真，所以通常被稱之為“干凈”的錄音作品，而且它存儲方便、存儲成本低廉、存儲和傳輸的過程中沒有聲音的失真、編輯和處理方便。

3.3.2　音頻的數字化過程

1.聲卡

聲卡是處理聲音信號的關鍵設備，是計算機與外圍設備進行信號交換的媒介，也是計算機處理音頻信號的主要硬件工具。一塊典型的聲卡主要由線路板上各種電子元件和形狀各異的輸入和輸出接口構成。

聲卡的功能：對于音頻信號來說，聲卡的功能是將外部輸入的模擬信號轉換為數字信號（稱為“模/數”轉換），利用計算機的CPU或者聲卡自身的DSP芯片進行處理，然后將數字信號轉為模擬信號（稱為“數/模”轉換），將信號輸出到外部的設備中進行存儲或重放。

2.音頻數字化的重要參數及設備

（1）比特深度（bit depth）

單位：bit。

比特率是指將模擬聲音信號轉換成數字聲音信號后，單位時間內的二進制數據量，表示單位時間（1s）內傳送的比特數（bit per second，bit/s）的速度。比特率越大的音質就越好。

（2）采樣率（sampling rate）

單位：Hz。

采樣率或是采樣頻率是音頻數字化時對模擬信號測量時的速率。例如，一個48kHz的采樣率就是每秒有48000個采樣。常見采樣率為44kHz、48kHz、96kHz。采樣率越高，被記錄下來的信息越多，錄音的頻率響應越寬廣。同時需要更大的磁盤存儲空間以及更快的硬盤驅動。

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

（3）時鐘（The clock）

每一臺數字音頻設備都有它的時鐘或內部振蕩器用于采樣的定時設定。時鐘相當于一個樂隊的指揮，在采樣率下有一系列的脈沖信號，當數字音頻從一臺設備轉移到另一臺設備上時，就依靠這個脈沖信號進行同步。

3.模擬轉數字（A/D）和數字轉模擬（D/A）

模擬轉數字（A/D）和數字轉模擬（D/A）的轉換過程如圖3-10所示。

4.聲卡的工作流程

聲卡的工作流程如圖3-11所示。

（1）晶振

從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片，通過振動產生采樣時鐘頻率。

（2）Codec

Codec是音頻控制芯片，是多媒體數字信號解碼器。專門負責模擬信號到數字信號的轉換以及數字信號到模擬信號的轉換工作。

（3）DAC

某些高檔的聲卡上，由專門的芯片DAC進行數字信號到模擬信號的轉換。因為功能的獨立、單一的芯片往往容易具有更高的質量。

（4）音頻加速器

由DSP+I/O控制器組成：DSP即數字信號處理器，相當于聲卡上的CPU。I/O控制器為輸入/輸出控制器，專門負責控制聲卡信號的輸入/輸出，不提供額外的運算能力。

（5）MIDI

MIDI音樂設備數字接口，是計算機與音樂設備交流和同步的協議。

3.3.3　常見數字音頻文件格式

數字音頻文件包含所有通過模數轉換器采集來的數據。數字音頻文件的大小基于三個因素：采樣頻率、比特深度和時間。主要有以下幾種常用的音頻文件格式。

AIFF：音頻交換文件格式，由蘋果公司開發。

WAV：波形音頻格式，由微軟公司開發。

MP3是一種音頻文件格式壓縮，在消費市場非常流行。MP3的壓縮率可以使文件大小變為原來的1/10，同時保持可接受的音質。絕大多數的人區分不了WAV文件和MP3文件之間的音質差異。

BWF：廣播聲波格式。SMPTM時間碼是一種時間標記系統，給視頻或電影中的每一幀都生成一個特定的地址。

MIDI：20世紀80年代初期，DavidSmith研制出樂器數字化接口（Musical Instrument Digital Interface，MIDI），這是一種使計算機與音樂設備交流和同步的協議。

3.3.4　常用音頻處理軟件

1.Adobe Audition

熟悉計算機音頻的人或許不知道Adoube Audition這個名字，但是提到Cool Edit Pro，恐怕沒有人不知道了，它是美國Syntrillium公司出品的著名音頻編輯軟件。在它發展到2.1版本以后，Syntrillium公司被著名的Adobe公司兼并，Adobe給Cool Edit Pro重新起了一個名字叫做Audition。這款軟件最大的特點就是兼容Adobe旗下的其他軟件，可以實現文件共享。

2.Samplitude

由德國的Magix公司出品的“數字音頻工作站”軟件，用以實現數字化的音頻制作。Magix公司著名的Samplitude一直是國內用戶范圍最廣、備受好評的專業級音樂制作軟件，它集音頻錄音、MIDI制作、縮混、母帶處理于一身，深受國內用戶的廣泛喜愛。相對于其他的專業軟件來說，其功能強大、兼容性好，資源豐富，保真，操作非常便捷。

3.Cubase/Nuendo

Cubase/Nuendo是德國Steinberg公司所開發的全功能數字音樂、音頻工作軟件。Steinberg公司屬于國際著名音樂品牌YAMAHA旗下。這款軟件作為Steinberg公司的旗艦產品，對MIDI音序功能、音頻編輯處理功能、多軌錄音縮混功能、視頻配樂以及環繞聲處理功能均屬世界一流。相比于其他專業軟件，這款軟件在編曲上有著非常顯著的優勢。

4.Pro Tools

Pro Tools是Avid公司出品的工作站軟件系統，最早只是在蘋果計算機上出現，后來也有了PC版。Pro Tools軟件內部算法精良，對音頻、MIDI、視頻都可以很好地支持，由于其算法的不同，單就音頻方面來講，其回放和錄音的音質大大優于現在PC上流行的各種音頻軟件。Pro Tools現在已經成為一種行業標準，無論是影視上還是在音樂上都有著領頭的作用。

3.3.5　MIDI數字音樂

MIDI線纜傳輸的不是音頻信號，而是通過5針的標準線纜傳輸數字信號。新型的火線和USB協議也是如此。

MIDI設備和接口允許用戶連接合成器和其他設備到數字音頻工作站，以便通過外設鍵盤控制軟件模塊，這樣可以實時演奏數字樂器。

MIDI設備如圖3-12至圖3-15所示。