音频格式PCM数据简介

1. 音频简介

 

     经常见到这样的描述: 44100HZ 16bit stereo 或者 22050HZ 8bit mono 等等.

     44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2字节)记录, 双声道(立体声);

     22050HZ 8bit  mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1字节)记录, 单声道;

 

    当然也可以有 16bit 的单声道或 8bit 的立体声, 等等。 

    采样率是指：声音信号在“模→数”转换过程中单位时间内采样的次数。采样值是指每一次采样周期内声音模拟信号的积分值。

     对于单声道声音文件，采样数据为八位的短整数（short int 00H-FFH）；

     而对于双声道立体声声音文件，每次采样数据为一个16位的整数（int），高八位(左声道)和低八位(右声道)分别代表两个声道。

 

    人对频率的识别范围是 20HZ - 20000HZ, 如果每秒钟能对声音做 20000 个采样, 回放时就足可以满足人耳的需求. 所以 22050 的采样频率是常用的, 44100已是CD音质, 超过48000的采样对人耳已经没有意义。这和电影的每秒 24 帧图片的道理差不多。

 

    每个采样数据记录的是振幅, 采样精度取决于储存空间的大小:

   1 字节(也就是8bit) 只能记录 256 个数, 也就是只能将振幅划分成 256 个等级;

   2 字节(也就是16bit) 可以细到 65536 个数, 这已是 CD 标准了;

   4 字节(也就是32bit) 能把振幅细分到 4294967296 个等级, 实在是没必要了.

   如果是双声道(stereo), 采样就是双份的, 文件也差不多要大一倍.

 

这样我们就可以根据一个 wav 文件的大小、采样频率和采样大小估算出一个 wav 文件的播放长度。

 

譬如 "Windows XP 启动.wav" 的文件长度是 424,644 字节, 它是 "22050HZ / 16bit / 立体声" 格式(这可以从其 "属性->摘要" 里看到),

那么它的每秒的传输速率(位速, 也叫比特率、取样率)是 22050*16*2 = 705600(bit/s), 换算成字节单位就是 705600/8 = 88200(字节/秒), 
播放时间：424644(总字节数) / 88200(每秒字节数) ≈ 4.8145578(秒)。

但是这还不够精确, 包装标准的 PCM 格式的 WAVE 文件(*.wav)中至少带有 42 个字节的头信息, 在计算播放时间时应该将其去掉, 
所以就有：(424644-42) / (22050*16*2/8) ≈ 4.8140816(秒). 这样就比较精确了.

 

关于声音文件还有一个概念: "位速", 也有叫做比特率、取样率, 譬如上面文件的位速是 705.6kbps 或 705600bps, 其中的 b 是 bit, ps 是每秒的意思;

 

压缩的音频文件常常用位速来表示, 譬如达到 CD 音质的 MP3 是: 128kbps / 44100HZ.

   

2. PCM数据格式

 

    PCM(Pulse Code Modulation)也被称为 脉码编码调制。PCM中的声音数据没有被压缩，如果是单声道的文件，采样数据按时间的先后顺序依次存入。(它的基本组织单位是BYTE(8bit)或WORD(16bit))

 

    一般情况下，一帧PCM是由2048次采样组成的( 参 http://discussion.forum.nokia.com/forum/showthread.php?129458-请问PCM格式的音频流，每次读入或输出的块的大小是必须固定为4096B么&s=e79e9dd1707157281e3725a163844c49 )。

 

    如果是双声道的文件，采样数据按时间先后顺序交叉地存入。如图所示:

  

 

   PCM的每个样本值包含在一个整数i中，i的长度为容纳指定样本长度所需的最小字节数。

首先存储低有效字节，表示样本幅度的位放在i的高有效位上，剩下的位置为0，这样8位和16位的PCM波形样本的数据格式如下所示。

 

    样本大小      数据格式            最小值    最大值

    8位PCM       unsigned int         0       225

    16位PCM      int                -32767    32767