音频的数字化处理技术探究

（陕西省榆林学院艺术学院，陕西榆林，719000）

音频的数字化处理技术探究

赵一鸣

（陕西省榆林学院艺术学院，陕西榆林，719000）

随着计算机网络技术的发展，音频的数字化处理技术的应用越来越广泛。本文阐述了音频信号的定义，并从音频信号的采集、量化、编码、压缩、噪声处理、提取、抗混迭滤波等方面对音频信号的数字化处理进行了阐述。通过本文的分析论述对音频数字化技术有了全面的认识，为其应用奠定了理论基础。

音频；数字化；处理技术

0 引言

经过研究发现，在模拟信号的条件下，无论怎样改进优化技术，不能明显提高语音信号的音质，满足人们的试听要求，因此数字技术处理语音信号技术应运而生。音频的数字处理技术涉及的方面较多，包括信号的数字处理、模式识别、人工智能、语音学、编码学等，在信息化技术中，音频数字化是一个发展很迅速的方向。本文分析阐述了音频数字化的过程，对音频的数字化处理有了更加清楚的认识。

1 音频信号的定义

音频信号是一种信息载体，承载着声波的频率变化信息，其声波信息包括音乐、语音、音效等。音频信息根据声波的不同特征可以分为规则音频和不规则的音频，规则音频是一种模拟信号，并且这种信号是连续变化的，可以用声波来表示。音频的信号特征由频率、相位和幅度三个参数决定。

2 音频信号的处理

音频的数字化处理包括两种过程，一种是采用信号处理器，通过一些辅助结构组建独立的信号处理系统；另一种是以电脑作为处理器，连接数字化信号处理板组成一个数字化的处理系统。后者主要用于音频的合成和识别。音频的数字化处理包括音频的信号采集、音频信号的编码、音频信号的压缩、以及音频信号的处理等过程。所谓音频数字化处理技术一般是指把模拟声音信号转化为数字信号,包括采样、量化和编码,通过编码得到二进制数字信号,然后就可以存It、传输数字信号,逆过程就是把数字信号转化为模拟信号,转化完后就得到可以播放的声音,音频信号数字化处理流程图如图1所示。

图1 音频信号数字化处理流程图

2.1音频信号的采集

音频信号的采集是对连续信号按照一定的时间间隔进行的；根据奈奎斯特定理，如果想要恢复出完整的信号，其取样的频率要大于或者是等于信号中最高频率的两倍，这就是说，在信号的最高频率时，每一周期最少要取两个点。在实际的取样操作中，取得的信号要想更接近于原始信号使用混叠波形。音频信号的输入形势主要有麦克风和线路输入两种形式。单声道16 bit的PCM格式的音频信号采集过程为：首先音频设备要进行初始化，然后设置缓冲区，最后打开声谱分析模块，连接被采集的数据信号，一切就绪就可以读取音频数据并对其进行处理。

2.2音频信号的量化和编码

量化就是取样的离散音频转化成计算机能够表示的数据范围的过程。量化的等级取决于用多少二进制数来表示一个音频数据，一般有8位、12位、16位，位数越高，声音的保真度越高。编码就是量化的音频信号编码成二进制，实际上就是音频信号编码的过程。不一样的取样频率和不一样的位数，其所需要的存贮空间也是不一样的。数字化音频采样量化的过程如图1所示，数字音频编码的过程如表1所示。

图2 音频信号的数字化处理过程

2.3音频信号的压缩

由于采集到的音频数据量巨大，存储占据的空间大，不易传输，所以需要对信号进行压缩，数字音频压缩技术对音频的处理越来越重要。音频信号在压缩过程中，在一定程度上允许失真，只要压缩后的声音和原来的声音听上去一样就可以。衡量数字压缩能力的指标是压缩比，当压缩比为1时，解压后的数据信息和原来的一样，没有耗损；当其小于1时，会丢失一些信息，但是对还原数据没有影响，通常压缩比越大丢失的数据信息越多。常用的音频压缩编码有PCM、RA、MP3、ADPC等。

根据音频信号的压缩方法不同，音频的压缩分为波形编码压缩、参数编码压缩和多种压缩技术相互融合的混合压缩等。波形编码技术主要是指根据一定的采样速率，对音频信号的时域波形或者是频域波形进行采集，采集之后分层量化幅度样本，使其变为数字代码，根据波形数据产生重构信号。该种压缩方法的优点是语音的质量较好、适应能力强，缺点是编码的速率过高，一般语音压缩或者是低码率对信号宽带要求不严格的通信中采用该种方法。参数编码主要是指信号的频率域或者是其他的特征参数，这些特征参数的传输是通过转换为数字代码的形式，提取和编码信号特征参数，在解码时对其进行恢复，该种方法的优点是压缩率以及压缩效率都较高，缺点是音频的算法很复杂，合成语音的音质不好，抗噪声干扰的能力差。混合压缩技术结合了以上两种技术的优点，克服了以上两种技术的缺点，对音频数据的压缩效果较好。混合编码主要包括MPLPC、KPELPC、CELP等编码技术。采用混合压缩技术其音质和数据率在参数编码和波形编码两者之间。

2.4音频信号的处理

音频信号处理的关键是模拟信号-数字信号转换、数字信号-模拟信号转换这两个过程，只要完成了这两个过程，模拟信号的输入、输出就会非常简单，这个信号的处理过程可以通过独立的芯片系统来完成。音频信号的处理包括音频信号的提取、噪声处理、抗混叠滤波三方面。

2.4.1 音频信号的提取

对模拟信号进行处理的目的就是提取出有用的信息，尽可能的去除噪声，或者是提高信噪比。在信号的处理过程中，有时会出现信号失真的情况，避免产生失真问题的关键就是使用高质量的电子元器件。在信号处理系统中，模拟器件占的地位越来越重要。通常在信号处理过程中，为了简化模拟的设计要求和其技术的规格，通常会采取更加复杂的数字处理方法。比如说，系统为了减少使用模拟器所带来的复杂度，会采用过采样的策略。

在数字信号的处理过程中，模拟信号首先转换成模拟电压，再转换成二进制数值，在数字信号处理系统中一般为2进制补码，数字信号处理的电子器件很容易设计，两个离散值对应两个模拟电压值，采用数字信号的处理算法如二进制加法器、存储器、乘法器等，它们是高速算术运算的核心部件。

2.4.2 音频信号的噪声处理

在一般情况下，采集到的音频信号都有噪声的分量，这些噪声需要被尽可能的删减或者是消除。如果信号的特征和本身的技术明显不同，则容易被消除，若有用信号的频率和噪声的频率不相同时，则需要根据信号的频率范围和信号的功率电平等来处理。

2.4.3 音频信号的抗混迭滤波

抗混迭滤波器保证信号混迭失真不影响整个数字信号处理系统，重构混迭滤波器保证在输出信号中不出现高频噪声。混迭现象就是在低于奈奎斯特率的频率的情况下对信号进行采样，出现信号频率信息丢失的情况，如果出现信号大于频率分量的情况，就会发生混迭的现象，发生混迭就表示信号失真。

3 结束语

数字音频技术已经影响着人们生活的各个方面，人们对它的研究也从未停止过。本文对音频数字化处理技术进行了研究，主要分析了音频的采集、音频的量化和编码、音频的压缩方法包括波形编码压缩方法、参数编码压缩方法和多种压缩技术相互融合的混合压缩方法、音频信号的噪声处理、抗混迭滤波等方面进行了研究。希望通过对音频数字技术的研究，让它更好的为我们的生活服务。

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[2] 韦晓霞.电视传媒视音频资料数字化存储技术应用[J].中国传媒科技,2013,12:78-79.

[3] 丁荣格.音频编码技术在数字化传输中的应用[J].计算机与网络,2013,13:50-52.

赵一鸣，男，1979年1月26日，陕西靖边县人，硕士学历，讲师，研究方向：音乐教育、计算机音乐

Research on digital audio processing technology

Zhao Yiming
(Shaanxi Province, Yulin City, Shaanxi province the Art College of Yulin University in，719000)

With the development of computer network technology,digital processing technique is applied more and more widely in the audio.This paper introduces the definition of the audio signal,and from the collecti on,quantization,encoding,compression,noise processing,extraction,anti alias digital processing stack filter and other aspects of the audio signal to audio signal is discussed in this paper.Through the analysis of this audio digital technology has a comprehensive understanding,to lay the theoretical foundation for its application.

audio;digital;processing technology