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本文内容:介绍数字音频的PCM格式
金句分享:子曰:君子不器。 ——《论语·为政篇》。意思是,君子不应像器具那样,只有一种用途。
PCM(Pulse Code Modulation)又称脉冲编码调制,是一种用于数字通信和音频记录的技术。PCM通过对模拟信号进行采样、量化、编码,将连续的模拟信号转换为离散的数字信号,从而实现信号的高保真传输和存储。
从PCM的定义来看,它主要是将模拟信号转成数字信号。那它和音频有什么关系呢?为什么是要转成数字信号呢?
1、自然界中的声音通过麦克风等采集设备处理后,首先会将声音信号转换成电信号,但此时的电信号是连续的模拟信号,将这些音频模拟信号在坐标系表示就类似于下图:
2、计算机只认识0和1,这样连续的模拟信号要被计算机传输或存储等处理的话,就需要先转换成数字信号;
3、通过模数转换器(A/D),将音频模拟信号转换成数字信号后就可以被计算机处理,经过模数转换器处理后的
音频数字信号
就是PCM,是声音的原始数据。在音视频编程中,常被称为音频裸数据,它还可以继续被编码成其他格式的音频数据如:wav、mp3、aac、ogg;
4、计算机处理后的数字音频信号,再通过数模转换器(D/A),转换成音频模拟信号,最后通过扬声器等设备转成声音信号,进行播放。
通过前面的介绍,PCM可以总结为:通过模数转换器处理后,将声音模拟信号转换而成的数字信号,是声音要给计算机处理的最原始的音频数据。
读者可以先思考一下,怎样才能将连续的模拟信号转成数字信号呢?
既然模拟信号看起来像连续的一段曲线,是不是可以用很密集的一些点去表示,只要有足够多的点,就可以让这些点看起来像模拟信号的曲线了;
如果选择用很多点去表示连续的曲线,那么这些点的取值范围应该是多少呢?取值范围越大,越能精确地表示模拟信号曲线;
确定范围后,表示曲线的每个点就成了各个数值,最后将这些数值按照格式排列起来,就成了数字信号了。
其实,PCM也是大概按照上面的流程去生成的,PCM生成需要经过 采样(Sampling)、量化(Quantization)、编码(Encoding)。
采样就是将模拟信号的音频转换成数字信号音频的过程,通过模/数转换器(A/D)对声波进行采样,每一次采样都记录下了原始模拟声波在某一时刻的状态,称之为样本,将一串的样本连接起来,就可以描述一段声波。把每一秒钟所采样的次数称为
采样频率
,单位为HZ(赫兹)。其实,采样就是在时间轴上对信号进行数字化。
采用过程如上图,用若干个黑点来表示红色的曲线。红色的曲线是音频模拟信号,各个黑点就是样本。
采样率
:每一秒钟所采样的样本个数;如果每秒所采集的样本越多,越能精确的表示曲线。常见的采样率有:通话时的采样率为8KHz(每秒8000个样本),常用的媒体采样率有44.1KHz(每秒44100个样本),更高要求的有48KHz(每秒48000个样本)等等。
量化就是为采集的样本确定一个取值范围。
比如用16比特的二进制信号来表示声音的一个样本, 而16比特(一个short) 所表示的范围是
[-32768,32767]
, 共有65536个可能取值, 因此最终音频的数字信号在幅度上也分为了65536层。
如果用8比特的二进制信号来表示声音的一个样本,8比特(一个unsigned char)所表示的范围是
[0,255]
,共有256个层级。
注意:
在8位的PCM音频数据中,样本的取值范围是从0到255。对于有符号的8位PCM编码,取值范围为-128到127。每个样本使用一个8位字节来表示其幅度值,其中最低位(LSB)表示0,最高位(MSB)表示255。这种编码方式使得正负幅度能够均匀地分布在取值范围内,方便存储和处理。如果没有明确指定是有符号还是无符号的情况下,通常默认为无符号的0到255取值范围。
在16位PCM音频数据中,样本的取值范围是-32768到32767。16位PCM音频数据使用两个字节(16个比特)来表示每个样本的取值,其中一个比特用于表示正负号(16位中最高位为符号位)。因此,样本的取值范围可以表示为从 − 2 15 -2^{15} −215(-32768)到 2 15 2^{15} 215-1(32767)。这个范围与8位PCM音频数据的取值范围不同,因为它们使用了不同数量的比特来表示每个样本的取值。
编码, 就是按照一定的格式记录采样和量化后的样本数据,将量化后的数字信号转换为二进制码的过程。比如顺序存储或压缩存储, 等等。
这些参数共同定义了PCM音频的基本特征,对于处理、存储和传输PCM音频非常重要。不同的应用场景和需求可能需要不同的参数设置来满足特定的要求。
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参考资料:
https://blog.csdn.net/qq_25333681/article/details/90682989