音频总线专题(一)——基本知识

2017/08/28 AUDIO

1.采样和采样频率:

在音频处理时要先把音频的模拟信号变成数字信号,即A/D转换。要把音频的模拟信号变成数字信号,就需要采样(抽样)。把音频播放出来时则需要把数字信号转换成模拟信号,即D/A转换。

采样频率:一秒钟内采样的次数

根据奈奎斯特采样定理,要想重建原始信号,采样频率必须大于信号中最高频率的两倍。采样频率越高,采样点之间的间隔就越小,越接近原始信号,数字化后得到的声音就越逼真,但是也加大了运算处理的复杂度。人能感受到的频率范围为 20HZ–20kHZ, 一般音乐的采样频率为44.1kHZ(根据奈奎斯特采样定理,采样频率大于信号中最高频率的两倍), 更高的可以是48kHZ和96kHZ,不过一般人用耳听感觉不出差别了。语音主要是以沟通为主,不需要像音乐那样清晰,分窄带和宽带。窄带频率范围为300Hz–3400Hz,相应的采样频率为8000Hz; 宽带频率范围为50Hz–7000Hz,相应的采样频率为16000Hz,用16k采样的语音就称为高清语音了。现在主流的语音采样频率为16kHz。

2.采样位数:

数字信号是用0和1来表示的。采样位数就是采样值用多少位0和1来表示,也叫采样精度,用的位数越多就越接近真实声音。如用8位表示,采样值取值范围就是-128–127,如用16位表示,采样值取值范围就是-32768–32767。现在一般都用16位采样位数。

3.声道(channel):

通常语音只用一个声道。而对于音乐来说,既可以是单声道(mono),也可以是双声道(即左声道右声道,叫立体声stereo),还可以是多声道,叫环绕立体声,多用于影院中。

不经过压,声音数据量的计算公式为: 数据量(字节/秒)= (采样频率(Hz)× 采样位数(bit) × 声道数)/ 8

4.音频采集和播放

一般用专门的芯片(codec芯片)采集音频,做A/D转换,然后把数字信号通过I2S总线(主流用I2S总线,也有如PCM总线)送给CPU处理(也有的会把codec芯片与CPU芯片集成在一块芯片中)。当要播放时CPU会把音频数字信号通过I2S总线送给codec芯片,然后做D/A转换得到模拟信号再播放出来。这部分对语音和音乐是通用的,只是用的采样率有可能不一样,音乐的采样率用的高一些。

5.编解码:

如果把采样值直接保存或者发送,会占用很大的存储空间或者很大的流量。以16kHz采样率16位采样位数单声道为例,一秒钟就有32000(2字节*16000)字节。通常需要把采样后的数字信号压缩后才保存或者发送。把采样值压缩——编码(encode),形成比特流(bitstream)。 把比特流还原出采样值——解码(decode),统称编解码(codec)。

音频解码器分硬解码器和软解码器二种。软解码器是以软件的方式实现解码,如计算机中安装的音频播放软件中就带着软解码器。而硬解码器则是将解码的工作交给特定的解码芯片来完成。

6.音频的编解码

通常也把音频采样过程叫脉冲编码调制编码,即PCM(Pulse Code Modulation)编码,采样值称PCM值。为了节省保存空间或者发送流量,会对PCM值压缩。目前主要有三大技术标准组织制定压缩标准:

(1)ITU,主要制定有线语音的压缩标准(g系列),有g711/g722/g726/g729等。 (2)3GPP,主要制定无线语音的压缩标准(amr系列等), 有amr-nb/amr-wb。后来ITU吸纳了amr-wb,形成了g722.2。 (3)MPEG,主要制定音乐的压缩标准,有11172-3,13818-3/7,14496-3等。

7.无损压缩和有损压缩:

把PCM数据压缩后无任何损伤叫无损压缩,不过压缩程度不高。把PCM数据压缩后有损伤叫有损压缩,最多可以压到几十分之一,不过音频质量差些。

8.音频前后处理:

音频处理是指对PCM数据(也叫线性数据)进行处理,从而达到想要的效果,如回声消除。对音频编码前的PCM数据进行处理叫音频前处理,主要用于语音中,来去除各种干扰,使声音更清晰,主要有回声消除、噪声抑制、增益控制等。 对音频解码后的PCM数据进行处理叫音频后处理,主要用于音乐中,来产生各种音效,使音乐更动听,主要有均衡器、混响等。

9.音频传输

这里主要是指网络传输,通过网络把音频数据传给对方。语音和音乐两种场景下有明显的区别。对于语音来说,实时性要求很高,主要用RTP/UDP做承载,由于UDP是不可靠传输,会丢包乱序等,影响语音质量,所以要采取相应的措施,主要有PLC(丢包补偿)、FEC(前向纠错)、重传、jitter buffer等。

对于音乐来说,以前是播放本地音乐文件,近些年随着网络带宽的加大,可以播放云端的音乐文件了。播放时要把音乐文件传给播放器,一般是边播放边下载,播放音乐对实时性要求不高,一般用HTTP/TCP做承载,也就不存在丢包乱序等问题了。

参考:

1.音频开发基础知识简介

2.音频采样位数,采样率,比特率

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