數字音頻產業化研究及應用開發

■楊淏博 嚴律 漆星雨 唐海翔 王賢波

一、音頻在產業中的歷史進程

音頻記錄飛躍發展的起點還要從20 世紀50 年代說起。當時晶管體成功開發，實現了音頻放大，也讓音頻第一次進行產業化。1953年，采用晶體管制成的助聽器成為第一個商業化設備進入市場進行銷售。晶體管雖對推動音頻產業化有著一定貢獻，但其存在許多缺陷。晶體管效率遠高于電子管，前者比后者發出熱量要小得多，于是很快便取代了真空管的地位，但沒有從根本上觸及到上游信號源。其次，高價格的晶體管使得成本變高，這導致不得不放寬元件本身的標準，這便引起了其信號失真或是音質下降的問題。由于當時的音頻技術也在一個相對較低的水平，所以這樣的缺陷并不明顯。

20世紀60年代，集成電路的出現加快了音質的提高，其廉價且實用的優點也縮小了電子產品的體積。但模擬放大器的電源大部分時間處于工作狀態，大量的設備被應用于散熱工作，降低其工作時產生的熱量，這與目前外形纖巧的消費電子設備和電池供電的產品相矛盾。

時代在不斷地進步，多樣的音頻輸出設備加快了數字時代的到來。光盤（CD）逐步代替了唱片和磁帶。特別是MP3等音頻輸出設備，讓我們在更小的設備上能夠存儲更大量的音樂，而這種技術的實現需要使用數字放大器。數字放大器與模擬音頻是配合使用，在早期效果還是不錯的，但隨著環繞聲、音樂廳等具有空間特點的音效出現，市場對全16位的音頻的需求又再次加大。除此之外，CD、DVD、MP3 等音頻輸出設備普及的越來越廣，數字放大器也因此迅速發展。讓我記憶最深刻的就是小學我們還在用磁帶配合播放機進行磁帶的播放，聲音質量不是很高，有時還會因為聽不清磁帶內容或卡帶而導致選不出正確答案。但到了初中高中，英語書后會配上一盤相應的碟片，只需要回家利用DVD或光驅進行播放，不僅音質較高，卡帶的現象也再也不見了。

數字音頻在CD時代過后發展極為迅速，存儲和容量不再成為一種阻礙，我們可以通過互聯網進行音樂的播放與下載，真正地脫離了實體唱盤和光碟、磁帶。直至今日乃至以后，已是數字音頻的天下。

音頻行業經歷了從模擬音頻到數字音頻的一個發展過程。早期的黑膠唱片、磁帶、唱片機都屬于模擬音頻；后期發展出現的數字音頻文件、CD屬于數字音頻。我們就拿黑膠唱片和現在的數字音頻文件做一做比較。黑膠唱片是一種記錄音樂的保存載體，其用LP唱片機播放，黑膠唱片通俗的發音原理是由唱針接觸到黑膠紋路，產生摩擦，還原了當時刻錄的震動聲波，再通過電音把震動聲放大數千倍，就形成了黑膠音樂。

實際的音質對音樂發燒友來說是極其重要的，實際的音質也是模擬音頻和數字音頻的一個明顯的差異。黑膠音樂在播放時會給人一種獨有的韻味，就是一些聽眾所說的“模擬味”。這是因為黑計較系統獨特的還原聲音方式有關，它能比較完整地將波形還原出來，這就使得人在聽音樂時覺得更加細膩順滑。數字音頻在這一方面的表現能力就較差。相比較于數字音頻，音源的采樣精度以及音頻解碼器在一定程度上解決了音質好壞。數字音頻的播放要經過比較多的環節，其音頻容易被一些雜波干擾，使得人在聽覺上并不自然，但這種不自然恰恰讓喜歡金屬和電音的人獲得更加好的體驗效果，另外，我們還可以通過佩戴耳機的方式來調整音色。

另外相較于黑膠唱片，數字音頻的另一大特點也十分明顯，那就是便捷。黑膠唱片依賴于LP唱片機的播放，相對于數字音頻不受空間限制，無任何重量，可存在于多種播放設備中且存儲量巨大的特點，黑膠唱片這種模擬音頻必將在潮流中淹沒。

二、數字音頻的定義與創作

數字音頻，利用數字化技術對聲音進行采集，處理，壓縮，最后傳輸和輸出。計算機用二進制計算方式對原始音頻進行保存，輸出時將二進制數據轉換為模擬信號送至輸出設備。下面我們詳細探究數字音頻創作過程：

數字音頻分為五個環節，分別是錄制，編輯，壓縮，傳輸和播放。

錄制：聲音是音波，先把音波轉換為模擬電信號，通過專業錄音設備進行錄音，再把模擬電信號處理為數字信號。模擬電信號階段，使用麥克風錄音。從模擬信號到數字信號，這個階段有三步奏，分別是，采樣，量化，編碼。采樣時對音波波形進行切割，采集。目前使用的采樣率大多是44.1KHZ。量化是用舍尾取整法和四舍五入法將數值連續的模擬量抓換為數字量的過程。編碼是將采樣量化后的數據轉換為文件的后續處理。如今對于模擬信號的轉換，采用最多的是PCM 編碼。轉換為數字信號后，音頻數據就能被存儲起來。在音樂領域，CD 是最早被接受的存儲方式，CD 的碼率是1411.2Kbps。

編輯：多聲道技術是聲音能在數字化后編輯的關鍵要素。編輯分為實時編輯和非實時編輯。現在在直播行業很火爆的直播聲卡，以及車載常用的DSP都是實時編輯，都是實時對音頻進行編輯，完成一些特殊的效果。非實時編輯軟件，常見的如Goldwave，Adobe Audition，Apowersoft，Audacity……

壓縮：壓縮由有損壓縮和無損壓縮兩種形式組成。無損壓縮是不損失任何信息的，但是文件相對要大一些，一首歌往往要幾十兆。而有損壓縮，舍棄了一定數據，保留人耳相對敏感的部分，從而讓文件更小。

傳輸：數字音頻在傳輸方便，相比之前的模擬時代，優勢很大，若是像把數字音頻文件拷貝到其他設備上，只需要復制，發送就行，不存在傳輸過程中的損耗。現在播放音頻，藍牙設備用的很多，藍牙設備往往會使音質受損。因為很多藍牙設備的最大傳播速度有限制，因此它會對音頻文件進行有損壓縮，再加上所處的環境難免會有干擾，所以呈現的效果就是音質受損。近幾年的技術有所進展，傳播速度大幅度提升，如果兩個藍牙設備都是最新的版本，音質受損的情況會好很多。

播放：播放的設備有功率放大器，揚聲器功率放大器材料上分為兩種，分別是電子管和晶體管。功率放大器的工作原理，即把儲存的模擬信號功率放大。揚聲器又稱為喇叭，根據工作頻率，分為高音，中音，低音。

數字音頻的內容不僅包含了比如音樂，歌劇，評書這樣的傳統聽覺內容，也包含了當下流行的網絡技術支持的聲音藝術形態，比如計算機音樂，配音秀等。

數字音頻技術被廣泛地應用到多媒體領域業務中，發揮著非常關鍵的作用。簡單來說，數字音頻技術就是在專業儀器和特定編碼系統的技術支撐下，最大限度地將收集到的聲音信息以數字的形式表現出來，然后對其進行有效存儲，并最終將數字信號轉化成為原聲。分析數字音頻技術的歷史發展和創作方式不難發現，其擁有非常廣闊的發展空間，未來可期。

三、數字音頻技術的發展現狀

總體上來說，中國目前應用最廣泛的數字音頻技術主要涉及3種非常關鍵的技術參數。這些參數標準出現一定的誤差，雖然不能對數字音頻技術造成根本的影響，但也會在一定程度上影響該技術最終的呈現結果。

第一，采用頻率，具體表現為一秒鐘內進行信號收集的次數。選用采樣頻率時需要適用于奈奎斯特的采樣理論。該理論的主要內容是在對某一模擬音頻信號進行采樣處理時，所應用的采樣頻率應該是原有信號最高頻率的兩倍左右；只有采取這一準則，才有可能在所采集到的信號中將原有聲音信號最大限度地還原出來。但是，這種采樣頻率在使用過程中往往會受到外界各種不良因素的影響，對實際采樣工作開展造成很大的阻礙作用。

第二，量化位數。它主要用來對模擬音頻信號的出現頻率用數字化的方式表現出來。利用這種方式，可以很清晰直觀地觀察到模擬信號的所在位置，可以很好地將模擬信號的動態范圍采用數字化的方式顯示出來。但是我國在對這種模擬信號進行收集的過程中發現，這種信號的發射位置并不能很好地顯示出其幅度軸，從而導致所采集到的音頻信號不夠清晰。

第三，編碼算法。對于音頻信號的編碼處理主要利用ISO 的MPEG組來有效進行，它可以對所采集的音頻信號進行可靠分解，收獲最高質保真的聲音效果。但是實現這一目標，將需要更大存儲空間。針對這一問題，則需要全新的存儲算法一一壓縮編碼技術，但這種技術的算法原理在于將數字信號進行壓縮處理；與此同時也會丟失一部分信息，以致最終所得到的聲音效果將會有很大的概率發生失真。這是因為壓縮編碼技術以壓縮比為主要計算方法，而且通常情況下，其數值小于1，而且當所壓縮的模擬信號越多，其可能丟失的信息越多，進而造成信號還原后產生的失真概率就越大。但是，就目前中國的數字編碼技術的發展程度而言，正好與此種情況形成強烈的對比。目前來說，中國的模擬信號存儲量很少，所需要壓縮的信號少，則造成的信號失真概率就越低。

四、數字音頻技術的發展前景

雖然當前數字音頻技術的發展愈來愈成熟穩定，但是社會的發展是不斷更迭變化的，尤其是進人互聯網信息時代，人們的觀念也在與時俱進。因此，各種科學技術也應該順應時代發展的腳步，不斷改革進步，以便獲得最好的發展。對于數字音頻技術來說，也毫不例外。

（一）優化原有編碼系統

現階段，對于數字編碼系統來說，在很多方面還存在一定的不足，尤其是在對信號的壓縮率和保真度方面，往往不能做到兩項工作的同時進行。數字音頻技術的未來發展方向，應該繼續對現有技術進行革新和優化，最大限度地提高音頻質量，將該技術變成人人都能適用的大眾方案。同樣地，也有一小部分人會對音頻的高質表現出更高的需求，且不考慮存儲空間的大小，因此在實際生活中，也需要對該技術進行最完美的優化和改善處理，以期得到最高質的音頻，從不同角度提升數字音頻技術的核心競爭力。

（二）重點發展數字音頻外接設備和工作站的優勢特性

數字音頻配套硬件主要是輔助數字音頻技術的外接設備，同樣在音頻處理優化方面發揮著無可替代的關鍵作用。在數字化的背景下，該技術對外部設備的專業性和功能性要求更高。同時，硬件和硬件的有效聯系和合作，也可以進而組成一個數字音頻工作站。從錄音行業的發展角度出發，在其初始發展階段，應用最廣泛的錄音技術是多軌模擬錄音；但是隨著科學技術的發展，很快便被一種新型數字化多媒體設備所取代。實現對數字音頻技術的硬件外接設備和計算機的數字化控制的有機融合，已成為數字音頻技術非常重要的發展方向。

結語

對于目前數字音頻在中國的發展與推廣，該技術在多媒體領域和人們日常生活等方面已經得到非常重要的發展，但是在其他領域仍充滿潛力。由此可見，對于數字音頻技術的應用研究需要加大力度，以便將該技術的優勢完全地發揮出來，最大限度地提升音頻質量，提高用戶體驗。這不僅順應了當今時代發展的改革潮流，也有利于提升國家對于此方面的競爭力，在激烈的市場競爭中獲得長遠發展。