1.3 认识模拟与数字音频技术

随着经济和生产力的不断完善和发展，记录和处理音频信号的方式越来越复杂，因此部分专家学者们试图开发出了模拟的音频技术和数字音频技术。在这两种技术中，信号的波形、传输方式和存储媒介是完全不同的。本节主要向读者介绍模拟音频与数字音频的基础知识。

1.3.1 了解模拟音频技术的诞生

模拟音频技术的诞生，一共经历了多个阶段，下面简单向读者介绍一下。

1857年

法国人斯科特根据人类耳鼓膜随声波振动的现象发明了声波振记器，它是在实验室研究声学时发明的，这是最早的记录声音的仪器。这项装置通过转动的柱面上的一层膜记录下声波振动留下的痕迹，用来测定一个音调的频率，并研究声音及语言。斯科特发明的声波振记器如图1-11所示。

1877年

美国人爱迪生发明了一种录音装置，他将声波转换成金属针的振动，同时转动圆筒的摇把，随着声音强弱高低的不同，金属针可以将波形在圆筒的锡箔上刻录出深浅不一的沟纹。当金属针再次沿着刻录的轨迹行进时，便可以重新发出留下的声音。

1885年

美国人奇切斯特·贝尔和查尔斯·吞特发明了用涂有蜡层的圆形卡纸板来录音的留声机装置。

1887年

旅美德国人伯利纳研制成功了蝶形唱片和平面式留声机。

1888年

爱迪生又把留声机上的大圆筒和小曲柄改进成类似时钟发条的装置，改为由马达带动一个薄薄的蜡制大圆盘转动的样式，大大增强了播放的稳定性。

1895年

爱迪生成立了国家留声机公司（National Phonograph Company），生产并销售这种用发条驱动的留声机，从此以后留声机才得以普及。同年，德国人艾米利和伯利纳推出了一款新的留声机，使用扁圆形涂蜡锌版作为播放和录音的媒体，同时也可以制成母版进行复制，这就大大增加了唱片商业化量产的可能性。

1891年

伯利纳研制成功了以虫胶（也称洋干漆）为原料的唱片，发明了制作唱片的方法，这种方法成为唱片工业历史性的起点。

20世纪初

在20世纪最初的10年中，留声机和唱片得到了很快普及，虽然当时的留声机产生的音质还很差，但毕竟是第一次把音乐从音乐厅传播到人们的家中，这表明了机械方式的模拟音频技术正在走向实用化。

1.3.2 了解模拟音频技术的特点

模拟音频是一种对声音波形进行1:1比例记载和传输的信号表示方式，它的波形是连续的，可以用机械、磁性、电子或光学形式来表现。模拟音频信号的振幅除了可以通过电压与位移（如留声机和模拟光学声迹）的直接模拟来表现外，还可以通过信号电压与磁通量强度（模拟磁带录音）的直接模拟来表现。

模拟音频也可以用调频方式使信号被载频或被解调，因为不管是在调制还是在解调周期内，其信号仍保持其模拟形态。

模拟音频技术反映了真实的声音波形，技术成熟，声音温暖动听，尤其在声/电能相互转换的功能（拾音与还音）方面是其他技术无法替代的，直到今天还在使用。但它是工业化时代的产物，在记录、编辑和传输时受到很多技术本身的限制，主要缺点是动态范围小，信号/噪声比较差，音频信号编辑十分不便，以及设备复杂昂贵等，尤其是其薄弱的信息承载能力，无疑是一个致命的弱点。

1.3.3 了解数字音频技术的诞生

20世纪90年代，国外学者尼葛洛庞帝、比尔·盖茨等人的著作，对未来数字时代中的人类生存与发展之路进行了解说，阐述了独特观点，也指明了音频技术的发展方向。

1928年，奈奎斯特通过实验首次提出这样的观点，在进行模拟信号转换为数字信号的过程中，当采样频率大于信号中最高频率的两倍时，采样之后的数字信号可以完整地保留原信号中的信息。由于奈奎斯特是最先发现采样规律的科学家，因此采样定理也被称为奈奎斯特定理。

1933年，前苏联工程师科捷利尼科夫首次用公式严格地表述了这一定理，因此在前苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定理。

1948年，信息论的创始人C.E·香农对这一定理加以明确说明，并正式作为定理引用，因此在许多文献中又称为香农采样定理。

直到20世纪70年代晚期，数字音频技术才逐渐成熟起来，第一代数字音频媒体CD于1982年开始推向消费者市场，得以普及使用。

1.3.4 了解数字音频的采样

采样频率是指音频信号采样时每秒的数字快照数量，这个速度决定了一个音频文件的频率范围或称为频响带宽。采样频率越高，数字波形的形状越接近原来的模拟波形；采样频率越低，数字音频的波形越容易被扭曲，从而背离原始音频，造成频率失真。

1.3.5 了解数字音频的量化

所谓数字音频的量化，是指按照一定的数值量把经过采样得到的瞬时幅度值离散化，这个规定的数值量称为位深度，也称为量化精度或量化比特数，它决定了数字音频的动态范围，较高的位深度可以提供更多可能性的振幅值，从而产生更大的动态范围和更高的信号噪声比，提高信号的保真度。

采用16bit（位）位深度的数字音频是最常见的，它能达到CD音质，但有些Hi-Fi音频系统使用32 bit（位）的位深度，而在有些对音质要求较低的场合，如网络电话，也可能使用8bit（位）的位深度。不同的数字音频位深度对应的声音品质如表1-4所示。

1.3.6 了解数字音频技术的特点

由于数字音频电路一旦过载就会产生无法消除的数字噪声，所以数字音频系统中所有的信号必须保持在某种基准电平值以下。在数字音频电路中，表述音频信号的大小除了继续沿用电平（dB）这一参量外，还使用dBFS这一特殊参量。

数字音频技术提高了声音记录过程中的动态范围和信噪比，保证了声音的复制与重放无损，提高了传输过程中的抗干扰能力，便于加密，并且在编辑处理以及与其他媒体的结合上更加方便。因此，数字音频技术逐渐成为当代声音处理领域中的主流技术。