计算机对声音信号进行处理前，必须将它转换成为数字信号，最基本的声音信号数字化方法..

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第63题

知识点：分辨率信号音频数据存储和传输量化声音声音信号数字信号

关键词：分辨率声音数字化数字信号信号章/节：计算机应用

计算机对声音信号进行处理前，必须将它转换成为数字信号，最基本的声音信号数字化方法是取样-量化法。若量化后的每个声音样本用1个字节表示，则量化分辨率是(63)。

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B. 1/256

C. 1/1024

D. 1/65536


知识点讲解
· 分辨率 · 信号 · 音频数据存储和传输 · 量化 · 声音 · 声音信号 · 数字信号

分辨率

图形（图像）的主要指标有分辨率、点距、色彩数（灰度）。

（1）分辨率：可以分为屏幕分辨率和输出分辨率。屏幕分辨率是指每英寸的点阵的行数或列数，这个数值越大，显示质量就越好。输出分辨率是指每英寸的像素点数，是衡量输出设备的精度的，数值越大，质量越好。

（2）点距：指两个像素之间的距离，一般来说，分辨率越高，则像素点距的规格越小，显示效果越好。

（3）深度：图像深度确定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。通常，图像深度也指存储每个像素所用的存储器位数，或者说用多少位存储器单元来表示，它也是用来度量图像分辨率的。每个像素颜色或灰度被量化后所占用的存储器位数越多，它能表达的颜色数目就越多，它的深度就越深。

例如：一个点有n位色，则说明这个点用2ⁿ种颜色表示。图像文件是采用点阵（像素）来描述的，而在存储时也是针对点阵进行描述的。而每个点阵，我们将采用n位来表示其颜色（可以表示2ⁿ种颜色）。位数越多，可以表示的色彩也就越丰富。

例如：某图像的分辨率为640×480，假设每个像素为16位，则该图像的容量（大小）为：640×480×（16÷8）=614400B=600KB。这里的“每个像素为16位”说明每个像素需要用2个字节来表示，每个像素有2¹⁶=65535种颜色。

又如，某256色的图像的分辨率为640×480，则该图像的大小为：640×480×（log₂（256）÷8）=307200B=300KB。这里的“256色的图像”说明每个像素需要用1个字节来表示（2⁸=256）。

信号

信号是当一个事件发生时产生的软中断，它将信号接收者从其正常的执行路径移开并触发相关的异步处理。本质上，信号通知其他任务或ISR运行期间发生的事件，与正常中断类似，这些事件与被通知的任务是异步的。信号的编号和类型依赖于具体的嵌入式系统的实现。通常，嵌入式系统均提供信号设施，任务可以为每个希望处理的信号提供一个信号处理程序，或是使用内核提供的默认处理程序，也可以将一个信号处理程序用于多种类型的信号。信号可以有被忽略、挂起、处理或阻塞等4种不同的响应处理。

音频数据存储和传输

在计算机中，要存储声音信息就必须对其数字化，通常需要经过采样、量化和编码三个步骤。

（1）采样：在模拟音频信号转换为数字音频信号时，每隔一个时间间隔就在模拟声音的波形上取一个幅度值。这个间隔时间称为采样频率。常用的采样频率为8kHz、11.025kHz、16kHz、22.05kHz（FM广播音质）、44.1kHz（CD音质）、48kHz（DVD音频或专业领域），频率越高音质越好。它的选择是由尼奎斯特理论确定的，即采样频率不应低于声音信号最高频率的两倍。

（2）量化：用数字来表示音频幅度时，把某一幅度范围内的电压用一个数字表示，这个量化的级别通常用位（bit）来表示，位数越高则音质越好。

（3）编码：将声音数据写成计算机的数据格式。

在没有压缩之前，每秒钟所需的存储量可由下式估算出：

文件的字节数=采样频率（Hz）×量化／采样位数（位）×声道数÷8

如果要在网络上传输这样的文件，数据传输速率则是每秒的位数，也就是在上一个公式的基础上，将单位由B转换为b，即将最后的“÷8”去掉。

量化

经过FDCT变换后的系数，其数值变化较多，不利于编码。为了将系数数值映射到更小的取值范围，可以使用量化（quantisation）实现。通过量化可以减小非0系数的幅度和增加0值系数的数目。当然，量化也是导致图像质量下降的主要原因。

JPEG的有损压缩算法使用均匀标量量化器进行量化，量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值确定的。

由于人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此JPEG编码中使用了亮度量化表和色差量化表两种标准的量化表，参见下1表和下2表。此外，由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此表中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。

亮度量化值表

色差量化值表

量化的具体计算公式如下。

其中，S_q（u,v）为量化后的结果，F（u，v）为FDCT系数，Q（u，v）为量化表中的数值，round为舍入取整函数。

声音

声音信号的数字化

声音信号是一种模拟信号，计算机要对它进行处理，必须将它转换成为数字声音信号，即用二进制数字的编码形式来表示声音。最基本的声音信号数字化方法是取样-量化法，它有采样、量化和编码三个步骤。

（1）采样。采样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的信号。在某些特定的时刻获取声音信号值叫做采样，由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。一般都是每隔相等的一小段时间采样一次，其时间间隔称为取样周期，它的倒数称为采样频率。采样频率越高，可恢复的声音信号分量越丰富，其声音的保真度越好。

（2）量化。量化处理是把在幅度上连续取值（模拟量）的每一个样本转换为离散值（数字量）表示，因此量化过程有时也称为A/D转换（模数转换）。量化后的样本是用二进制数来表示的，二进制数位数的多少反映了度量声音波形幅度的精度，称为量化精度，也称为量化分辨率。

（3）编码。经过采样和量化处理后的声音信号已经是数字形式了，但为了便于计算机的存储、处理和传输，还必须按照一定的要求进行数据压缩和编码，即选择某一种或者几种方法对它进行数据压缩，以减少数据量，再按照某种规定的格式将数据组织成为文件。

声音文件的格式

数字声音在计算机中存储和处理时，其数据必须以文件的形式进行组织，所选用的文件格式必须得到操作系统和应用软件的支持。

.Wave文件（.WAV）。Microsoft公司的音频文件格式，它来源于对声音模拟波形的采样。用不同的采样频率对声音的模拟波形进行采样可以得到一系列离散的采样点，以不同的量化位数（8位或16位）把这些采样点的值转换成二进制数，然后存入磁盘，这就产生了声音的WAV文件，即波形文件。利用该格式记录的声音文件能够和原声基本一致，质量非常高，但文件数据量大。

.Module文件（.MOD）。该格式的文件里存放乐谱和乐曲使用的各种音色样本，具有回放效果明确，音色种类无限等优点。

.MPEG文件（.MP3）。现在最流行的声音文件格式，因其压缩率大，在网络、可视电话、通信方面应用广泛，但与CD唱片相比，音质不能令人非常满意。

.RealAudio文件（.RA）。该格式文件具有强大的压缩量和极小的失真，它也是为了解决网络传输带宽资源而设计的，因此主要目标是压缩比和容错性，其次才是音质。

.MIDI文件（.MID/.RMI）。它是目前较成熟的音乐格式，实际上已经成为一种产业标准。MIDI文件是一种描述性的“音乐语言”，包括音符、控制参数等指令，指示MIDI设备要做什么、怎么做。例如将所要演奏的乐曲信息用数据进行描述，即演奏哪个音符、加什么伴奏、多大音量等。由于MIDI文件不包含波形数据，因此MIDI文件非常小巧。RMI格式文件可以包括图片标记和文本。

.Voice文件（.VOC）。Creative公司波形音频文件格式，也是声霸卡（sound blaster）使用的音频文件格式。每个VOC文件由文件头块（header block）和音频数据块（data block）组成。文件头包含一个标识版本号和一个指向数据块起始的指针。数据块分成各种类型的子块。

.Sound文件（.SND）。NeXT Computer公司推出的数字声音文件格式，支持压缩。

.Audio文件（.AU）。Sun Microsystems公司推出的一种经过压缩的数字声音文件格式，是因特网上常用的声音文件格式。

.AIFF文件（.AIF）。Apple计算机的音频文件格式。Windows的Convert工具可以把AIF格式的文件转换成Microsoft的WAV格式的文件。

.CMF文件（.CMF）。Creative公司的专用音乐格式，与MIDI差不多，音色、效果上有些特色，专用于FM声卡，但其兼容性很差。

声音信号

声音是通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声波在时间和幅度上都是连续的模拟信号，通常称为模拟声音（音频）信号。

1）声音的3个指标

声音主要有音量、音调和音色3个指标。

.音量（也称响度）：声音的强弱程度取决于声音波形的幅度，即取决于振幅的大小和强弱。

.音调：人对声音频率的感觉表现为音调的高低，取决于声波的基频。基频越低，给人的感觉越低沉，频率高则声音尖锐。

.音色：人们能够分辨具有相同音高的不同乐器发出的声音，就是因为它们具有不同的音色。一个声波上的谐波越丰富，音色越好。

2）声音信号的带宽

对声音信号的分析表明，声音信号由许多频率不同的信号组成，通常称为复合信号，而把单一频率的信号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽（bandwidth），它用来描述组成声音信号的频率范围。PC处理的音频信号主要是人耳能听到的音频信号（audio），它的频率范围是20~20kHz。可听声包括如下内容。

.话音（也称语音）：人的说话声，频率范围通常为300~3400Hz。

.音乐：由乐器演奏形成（规范的符号化声音），其带宽可达到20~20kHz。

.其他声音：如风声、雨声、鸟叫声、汽车鸣笛声等，它们起着效果声或噪声的作用，其带宽范围也是20Hz~20kHz。

3）幅度和频率

声音信号的两个基本参数是幅度和频率。幅度是指声波的振幅，通常用动态范围表示，一般用分贝（dB）为单位来计量。频率是指声波每秒钟变化的次数，用Hz表示。

数字信号

在电报通信中，其电报信号是用“点”和“划”组成的电码（叫做莫尔斯电码）来代表文字和数字。如果用有电流代表“1”、无电流代表“0”，那么“点”就是1、0，“划”就是1、1、1、0。莫尔斯电码是用一点一划代表A，用一划三点代表B，所以A就是101110，B就是1110101010……这种离散的、不连续的信号，称为数字信号。

数字信号的优越性主要体现在以下几个方面：

（1）加强了通信的保密性。语音信号经A/D（Analog to Digital，模拟信号转换为数字信号）变换后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经D/A（Digital to Analog，数字信号转换为模拟信号）变换还原成模拟信号。例如，某图像信号X转换成为01110，可以通过某种加密算法，如向右循环移一位变成Y=00111，对方得到Y后很难反推到X。可见，数字化为加密处理提供了十分有利的条件，且密码的位数越多，破译密码就越困难。

（2）提高了抗干扰能力。数字信号在传输过程中会混入杂音，可以利用电子电路构成的门限电压（称为阈值）去衡量输入的信号电压，只有达到某一电压幅度，电路才会有输出值，并自动生成整齐的脉冲（称为整形或再生）。较小杂音电压到达时，由于它低于阈值而被过滤掉，不会引起电路动作。因此再生的信号与原信号完全相同，除非干扰信号大于原信号才会产生误码。为了防止误码，在电路中设置了检验错误和纠正错误的方法，即在出现误码时，可以利用后向信号使对方重发。因而数字传输适用于较远距离的传输，也能适用于性能较差的线路。

（3）可构建综合数字通信网。采用时分交换后，传输和交换统一起来，可以形成一个综合数字通信网。

数字信号的主要缺点如下：

（1）技术要求复杂，尤其是同步技术要求精度很高。接收方要能正确地理解发送方的意思，就必须正确地把每个码元区分开来，并且找到每个信息组的开始，这就需要收发双方严格实现同步，如果组成一个数字网的话，同步问题的解决将更加困难。

（2）占用频带较宽。因为线路传输的是脉冲信号，传送一路数字化语音信息需占20～64kHz的带宽，而一个模拟话路只占用4kHz带宽，即一路PCM（Pulse Code Modulation，脉码调制）信号占了几个模拟话路。

（3）进行A/D转换时会产生量化误差。

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