在设计网络实时传输多媒体信息的应用系统时，必须准确计算媒体流的数据量，然后根据网..

2010年上半年下午试卷案例

第 1 题

知识点	声音带宽系统运行信息传输音频应用需求

在设计网络实时传输多媒体信息的应用系统时，必须准确计算媒体流的数据量，然后根据网络传输系统的实际情况来确定流式媒体的数据传输率等系统运行参数，从而在满足实时传输的条件下提供高质量的多媒体信息传输服务。
假设你需要在IMb/s带宽的网络上实现实时的立体声音频节目的播放，请考虑以下的应用需求，计算并解决问题。

问题：1.1 如果系统设计的音频信号采样率是固定的44.1kHz，要实现实时的无压缩音频数据播放，在最好的质量下应该设置系统对音频信号的量化位数是多少？

问题：1.2 如果系统设计的每个声道音频信号量化位数是固定的16bits/采样，要实现实时的无压缩音频数据播放，则：
①在最好的质量下应该设置系统对音频信号的采样频率是多少？
②此时系统在保证不丢失频率分量的前提下能够传输的信号最高频率是多少？

问题：1.3 如果应用系统需要实时播放CD音质的音频信号，那么必须选择使用或自行设计开发压缩编码器，定义压缩比==压缩后的数据量/原始黎据量，则选择使用的或设计开发的编码器其压缩比至少应该是多少？

知识点讲解

· 声音

· 带宽

· 系统运行

· 信息传输

· 音频

· 应用需求

声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，人们靠声音的相位差及强度差确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左、右耳听到在不同位置录制的不同声音实现的，所以会有方向感。现实生活中，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变，但在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

带宽

带宽是指介质能传输的最高频率和最低频率之间的差值，带宽通常用Hz表示。

系统运行

系统管理分类

IT系统管理工作主要是优化IT部门的各类管理流程，并保证能够按照一定的服务级别，为业务部门（客户）高质量、低成本地提供IT服务。IT系统管理工作可以按照以下两个标准予以分类。

按系统类型分类

（1）信息系统，企业的信息处理基础平台，直接面向业务部门（客户），包括办公自动化系统、企业资源计划（ERP）、客户关系管理（CRM）、供应链管理（SCM）、数据仓库系统（Date Warehousing）、知识管理平台（KM）等。

（2）网络系统，作为企业的基础架构，是其他方面的核心支撑平台。包括企业内部网（Intranet）、IP地址管理、广域网（ISDN、虚拟专用网）、远程拨号系统等。

（3）运作系统，作为企业IT运行管理的各类系统，是IT部门的核心管理平台。包括备份／恢复系统、入侵检测、性能监控、安全管理、服务级别管理、帮助服务台、作业调度等。

（4）设施及设备，设施及设备管理是为了保证计算机处于适合其连续工作的环境中，并把灾难（人为或自然的）的影响降到最低限度。包括专门用来放置计算机设备的设施或房间。

对IT资产（计算机设备、通信设备、个人计算机和局域网设备）的恰当的环境保护；有效的环境控制机制：火灾探测和灭火系统、湿度控制系统、双层地板，隐藏的线路铺设、安全设置水管位置，使其远离敏感设备、以及不间断电源和后备电力供应等。

按流程类型分类

（1）侧重于IT部门的管理，从而保证能够高质量地为业务部门（客户）提供IT服务。这一部分主要是对公司整个IT活动的管理，包括IT财务管理、服务级别管理、IT资源管理、能力管理、系统安全管理、新系统转换、系统评价等职能。

（2）侧重于业务部门的IT支持及日常作业，从而保证业务部门（客户）IT服务的可用性和持续性。这一部分主要是业务部门IT支持服务，包括IT日常作业管理、帮助服务台管理、故障管理及用户支持、性能及可用性保障等。

（3）侧重于IT基础设施建设，主要是建设企业的局域网、广域网、Web架构、Internet连接等。

系统管理规范化

系统管理的规范化涉及到人员职责、操作流程等方面标准的制定，并进行有效的标准化。企业IT部门除了IT部门组织结构及职责之外，还应该详细制定各类运作管理规章制度，主要包括：日常作业调度手册、系统备份及恢复手册、性能监控及优化手册、输出管理手册、帮助服务台运作手册、常见故障处理方法、终端用户计算机使用制度等与用户息息相关的IT支持作业方面的规范制度。此外，还包括服务级别管理手册、安全管理制度、IT财务管理制度、IT服务计费及成本核算、IT资源及配置管理、新系统转换流程、IT能力规划管理等由IT部门执行的以提供高质量IT服务为目的的管理流程。

系统运作报告

系统运行过程中的关键操作、非正常操作、故障、性能监控、安全审计等信息，应该实时或随后形成系统运作报告，并进行分析以改进系统管理水平。

是否有流程保证对所有不属于标准操作的操作性问题给予记录（在问题管理系统内）、分析和及时处理？

系统日常操作日志

系统日志应该记录足以形成数据的信息，为关键性的运作提供审核追踪记录，并且保存合理的时间段。利用日志工具定期对日志进行检查，以便监控例外情况并发现非正常的操作、未经授权的活动、作业完成情况、存储状况、CPU、内存利用水平等。

性能／能力规划报告

企业需要了解其IT能力能否满足其业务需要，因此它需要了解系统性能、能力和成本的历史数据，定期形成月度、年度性能报告，并进行趋势分析和资源限制评估，在此基础之上增加或调整其IT能力。

性能监控工具应该主动地监控、测量和报告系统的性能，包括平均响应时间、每日交易数、平均无故障时间、CPU、存储器等的使用状况、网络性能等，从而可以有预见性地响应变化的业务需求。

故障管理报告

企业应定期产生有关问题的统计数据，这些统计数据包括：事故出现次数、受影响的客户数、解决事故所需时间和成本、业务损失成本等，可以供管理层对反复发生的问题进行根本原因的分析，并寻找改进的机会。

另外，对于每次故障处理应该进行数据记录、归类，作为基础，它应包括以下内容。

.目录，确定与故障相关联的领域，比如硬件、软件等。

.影响度，故障对业务流程的影响程度。

.紧迫性，故障需要得到解决的紧急程度。

.优先级，综合考虑影响度、紧迫性、风险和可用资源后得出的解决故障的先后顺序。

.解决方法，故障解决的流程、处理方法。

这样有利于使用知识管理系统来协助解决问题。

安全审计日志

为了能够实时监测、记录和分析网络上和用户系统中发生的各类与安全有关的事件（如网络入侵、内部资料窃取、泄密行为等），并阻断严重的违规行为，就需要安全审计跟踪机制来实现在跟踪中记录有关安全的信息。审计是记录用户使用计算机网络系统进行所有活动的过程，它是提高安全性的重要工具。

审计记录应包括以下信息：事件发生的时间和地点；引发事件的用户；事件的类型；事件成功与否。常见的审计记录可能包括：活动的用户账号和访问特权；用户的活动情况，包括可疑的行为；未授权和未成功的访问企图；敏感命令的运行等。

系统运作报告使对IT的整个运行状况的评价得以实现，IT报告应具备涵盖所有IT领域的关键业绩指标，例如风险及问题、财务状况、系统利用率、系统性能、系统故障时间、服务级别执行情况、安全审计等，这也为IT运作绩效的改进提供了基础。

信息传输

信息传输是为了满足人们对信息的需求，实现信息有目的的流动，体现信息的价值。特别是在市场经济环境下，信息已经成为重要的、具有价值的一种商品。如何从海量信息中收集有用的信息，并对其进行研究与分析，作为企业决策的依据，使信息真正为企业的决策带来增值效应。

音频

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。

声音信号的数字化

声音信号的数字化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采样一量化法，可以分成以下3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。在某些特定时刻获取的声音信号幅值叫作采样，由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。一般是每隔相等的一小段时间采样一次，其时间间隔称为采样周期，它的倒数称为采样频率。为了不产生失真，采样频率不应低于声音信号最高频率的二分之一。因此，语音信号的采样频率一般为8kHz，音乐信号的采样频率则应在40kHz以上。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。例如，每个声音样本若用16位（2B）表示，则声音样本的取值范围是0~65 536；精度是1/65 536；若只用8位（1B）表示，则样本的取值范围是0~255，精度是1/256。量化精度越高，声音的质量越好，需要的存储空间也越多；量化精度越低，声音的质量越差，而需要的存储空间越少。

3）编码

为了便于计算机的存储、处理和传输，按照一定的要求对采样和量化处理后的声音信号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。

声音的表示

计算机中的数字声音有两种不同的表示方法：一种称为波形声音（也称为自然声音），通过对实际声音的波形信号进行数字化（采样和量化）而获得，能高保真地表示现实世界中任何客观存在的真实声音，波形声音的数据量比较大；另一种是合成声音，它使用符号（参数）对声音进行描述，然后通过合成的方法生成声音。

波形声音信息是一个用来表示声音振幅的数据序列，它是通过对模拟声音按一定间隔采样获得的幅度值，再经过量化和编码后得到的便于计算机存储和处理的数据格式。

未经压缩的数字音频数据传输率可按下式计算：

数据传输率（b/s）=采样频率（Hz）×量化位数（bit）×声道数

数据传输率以每秒比特（b/_s）为单位；采样频率以Hz为单位；量化以比特（b）为单位。

波形声音经过数字化后所需占用的存储空间可用如下公式计算：

声音信号数据量=数据传输率×持续时间／8（B）

数字语音的数据压缩方法主要有以下三种。

（1）波形编码。波形编码是一种直接对取样量化后的波形进行压缩处理的方法。波形编码的特点是通用性强，不仅适用于数字语音的压缩，而且对所有使用波形表示的数字声音都有效，可获得高质量的语音，但很难达到高的压缩比。

（2）参数编码。参数编码（也称为模型编码）是一种基于声音生成模型的压缩方法，从语音波形信号中提取生成的话音参数，使用这些参数通过话音生成模型重构出话音。它的优点是能达到很高的压缩比，缺点是信号源必须已知，而且受声音生成模型的限制，质量不太理想。

（3）混合编码。波形编码虽然可提供高质量的语音，但数据率比较高，很难低于16kb/s；参数编码的数据率虽然可降低到3kb/s甚至更低，但它的音质根本不能与波形编码相比。混合编码是上述两种方法的结合，它既能达到高的压缩比，又能保证一定的质量。

数字语音压缩编码有多种国际标准，如G.711、G.721、G.726、G.727、G.722、G.728、G.729A、G.723.1、IS96（CDMA）等。

在国际标准MPEG中，先后为视频图像伴音的数字宽带声音制定了MPEG-1 Audio、MPEG-2 Audio、MPEG-2AAC、MPEG-4 Audio等多种数据压缩编码的标准。MPEG处理的是10~20 000Hz频率范围的声音信号，数据压缩的主要依据是人耳的听觉特性，特别是人耳存在着随声音频率变化的听觉域，以及人耳的听觉掩蔽特性。

声音合成

由计算机合成的声音，包括语音合成和音乐合成。

1）语音合成

语音合成目前主要指从文本到语音的合成，也称为文语转换。语音合成从合成采用的技术讲可分为发音参数合成、声道模型参数合成和波形编辑合成，从合成策略上讲可分为频谱逼近和波形逼近。

（1）发音参数合成。发音参数合成对人的发音过程进行直接模拟，它定义了唇、舌、声带的相关参数，如唇开口度、舌高度、舌位置、声带张力等。由这些发音参数估计声道截面积函数，进而计算声波。由于人发音生理过程的复杂性，理论计算与物理模拟之间的差异，语音合成的质量暂时还不理想。

（2）声道模型参数合成。声道模型参数合成基于声道截面积函数或声道谐振特性合成语音，如共振峰合成器、LPC合成器。国内外也有不少采用这种技术的语音合成系统。这类合成器的比特率低、音质适中。为改善音质，发展了混合编码技术，主要手段是改善激励，如码本激励、多脉冲激励、长时预测规则码激励等，这样，比特率有所增大，同时音质得到提高。作为压缩编码算法，该合成广泛用于通信系统和多媒体应用系统中。

（3）波形编辑语音合成。波形编辑语音合成技术是指直接把语音波形数据库中的波形级联起来，输出连续语流。这种语音合成技术用原始语音波形替代参数，而且这些语音波形取自自然语音的词或句子，它隐含了声调、重音、发音速度的影响，合成的语音清晰自然。该合成质量普遍高于参数合成。

2）音乐合成

音乐是用乐谱进行描述并由乐器演奏而成的。乐谱的基本组成单元是音符（notes），最基本的音符有7个，所有不同音调的音符少于128个。

音符代表的是音乐，音乐与噪声的区别主要在于它们是否有周期性。音乐的要素有音调、音色、响度和持续时间。

.音调指声波的基频，基频低，声音低沉；基频高，声音高昂。

.响度即声音的强度。

.一首乐曲中每一个乐音的持续时间是变化的，从而形成旋律。

.音乐可以使用电子学原理合成出来（生成相应的波形），各种乐器的音色也可以进行模拟。

电子乐器由演奏控制器和音源两部分组成。

（1）演奏控制器。演奏控制器是一种输入和记录实时乐曲演奏信息的设备。它的作用是像传统乐器那样用于演奏，驱动音源发声，同时它也是计算机音乐系统的输入设备。其类型有键盘、气息（呼吸）控制器、弦乐演奏器等。

（2）音源。音源是具体产生声音波形的部分，即电子乐器的发声部分。它通过电子线路把演奏控制器送来的声音合成起来。最常用的音源有以下两类。

.数字调频合成器（FM）：FM是使高频振荡波的频率按调制信号规律变化的一种调制方式。

.PCM波形合成器（波表合成法）：这种方法是把真实乐器发出的声音以数字的形式记录下来，再将它们放在一个波形表中，合成音乐时以查表匹配方式获取真实乐器波形。

MIDI

MIDI是音乐与计算机结合的产物。MIDI（Musical Instrument Digital Interface）是乐器数字接口的缩写，泛指数字音乐的国际标准。

MIDI消息实际上就是乐谱的数字表示。与波形声音相比，MIDI数据不是声音而是指令，因此它的数据量要比波形声音少得多。例如30分钟的立体声高品质音乐，用波形文件无压缩录制，约需300MB的存储空间；同样的MIDI数据，则只需200KB，两者相差1500倍之多。另外，对MIDI的编辑很灵活，可以自由地改变曲调、音色等属性，波形声音就很难做到这一点。波形声音与设备无关，MIDI数据是与设备有关的。

声音文件格式

1）Wave文件（.WAV）

WAV是微软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，但文件数据量却大。

2）Module文件（.MOD）

MOD格式的文件里存放乐谱和乐曲使用的各种音色样本，具有回放效果优异、音色种类无限等优点。

3）MPEG音频文件（.MP3）

MP3是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，但和CD唱片相比，音质不能令人非常满意。

4）RealAudio文件（.RA）

RA格式具有强大的压缩量和较小的失真，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。

5）MIDI文件（.MID/.RMI）

MID是目前较成熟的音乐格式，实际上已经成为一种产业标准，General MIDI就是最常见的通行标准。文件的长度非常小。RMI可以包括图片标记和文本。

6）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。

7）Sound文件（.SND）

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

8）Audio文件（.AU）

Audio文件是Sun Microsystems公司推出的一种经过压缩的数字声音文件格式，它是互联网上常用的声音文件格式。

9）AIFF文件（.AIF）

AIF是Apple计算机的音频文件格式。利用Windows自带的工具可以把AIF格式的文件转换成Microsoft的WAV格式的文件。

10）CMF文件（.CMF）

CMF是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，兼容性较差。

应用需求

收集应用需求可以从两个角度出发：应用类型和应用对资源访问的角度。

（1）按功能对应用进行分类，可以将应用划分为常见功能类型和特定功能类型。

（2）按共享分类，可以将软件分为单用户软件、多用户软件和网络软件。

（3）按响应方式分类，应用可以分为实时和非实时两种。

（4）按网络规模分类，应用分为单机软件、对等网络软件、C/S软件、BPS软件和分布式软件等。

用户对网络资源的访问，是可以通过各种指标进行量化的，需要考虑的指标包括每个应用的用户数量、每个用户平均使用每个应用的频率、使用高峰期、平均访问时间长度、每个事务的平均大小、每次传输的平均通信量和影响通信的定向特性。

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