数字音频产业化研究及应用开发

■杨淏博 严律 漆星雨 唐海翔 王贤波

一、音频在产业中的历史进程

音频记录飞跃发展的起点还要从20 世纪50 年代说起。当时晶管体成功开发，实现了音频放大，也让音频第一次进行产业化。1953年，采用晶体管制成的助听器成为第一个商业化设备进入市场进行销售。晶体管虽对推动音频产业化有着一定贡献，但其存在许多缺陷。晶体管效率远高于电子管，前者比后者发出热量要小得多，于是很快便取代了真空管的地位，但没有从根本上触及到上游信号源。其次，高价格的晶体管使得成本变高，这导致不得不放宽元件本身的标准，这便引起了其信号失真或是音质下降的问题。由于当时的音频技术也在一个相对较低的水平，所以这样的缺陷并不明显。

20世纪60年代，集成电路的出现加快了音质的提高，其廉价且实用的优点也缩小了电子产品的体积。但模拟放大器的电源大部分时间处于工作状态，大量的设备被应用于散热工作，降低其工作时产生的热量，这与目前外形纤巧的消费电子设备和电池供电的产品相矛盾。

时代在不断地进步，多样的音频输出设备加快了数字时代的到来。光盘（CD）逐步代替了唱片和磁带。特别是MP3等音频输出设备，让我们在更小的设备上能够存储更大量的音乐，而这种技术的实现需要使用数字放大器。数字放大器与模拟音频是配合使用，在早期效果还是不错的，但随着环绕声、音乐厅等具有空间特点的音效出现，市场对全16位的音频的需求又再次加大。除此之外，CD、DVD、MP3 等音频输出设备普及的越来越广，数字放大器也因此迅速发展。让我记忆最深刻的就是小学我们还在用磁带配合播放机进行磁带的播放，声音质量不是很高，有时还会因为听不清磁带内容或卡带而导致选不出正确答案。但到了初中高中，英语书后会配上一盘相应的碟片，只需要回家利用DVD或光驱进行播放，不仅音质较高，卡带的现象也再也不见了。

数字音频在CD时代过后发展极为迅速，存储和容量不再成为一种阻碍，我们可以通过互联网进行音乐的播放与下载，真正地脱离了实体唱盘和光碟、磁带。直至今日乃至以后，已是数字音频的天下。

音频行业经历了从模拟音频到数字音频的一个发展过程。早期的黑胶唱片、磁带、唱片机都属于模拟音频；后期发展出现的数字音频文件、CD属于数字音频。我们就拿黑胶唱片和现在的数字音频文件做一做比较。黑胶唱片是一种记录音乐的保存载体，其用LP唱片机播放，黑胶唱片通俗的发音原理是由唱针接触到黑胶纹路，产生摩擦，还原了当时刻录的震动声波，再通过电音把震动声放大数千倍，就形成了黑胶音乐。

实际的音质对音乐发烧友来说是极其重要的，实际的音质也是模拟音频和数字音频的一个明显的差异。黑胶音乐在播放时会给人一种独有的韵味，就是一些听众所说的“模拟味”。这是因为黑计较系统独特的还原声音方式有关，它能比较完整地将波形还原出来，这就使得人在听音乐时觉得更加细腻顺滑。数字音频在这一方面的表现能力就较差。相比较于数字音频，音源的采样精度以及音频解码器在一定程度上解决了音质好坏。数字音频的播放要经过比较多的环节，其音频容易被一些杂波干扰，使得人在听觉上并不自然，但这种不自然恰恰让喜欢金属和电音的人获得更加好的体验效果，另外，我们还可以通过佩戴耳机的方式来调整音色。

另外相较于黑胶唱片，数字音频的另一大特点也十分明显，那就是便捷。黑胶唱片依赖于LP唱片机的播放，相对于数字音频不受空间限制，无任何重量，可存在于多种播放设备中且存储量巨大的特点，黑胶唱片这种模拟音频必将在潮流中淹没。

二、数字音频的定义与创作

数字音频，利用数字化技术对声音进行采集，处理，压缩，最后传输和输出。计算机用二进制计算方式对原始音频进行保存，输出时将二进制数据转换为模拟信号送至输出设备。下面我们详细探究数字音频创作过程：

数字音频分为五个环节，分别是录制，编辑，压缩，传输和播放。

录制：声音是音波，先把音波转换为模拟电信号，通过专业录音设备进行录音，再把模拟电信号处理为数字信号。模拟电信号阶段，使用麦克风录音。从模拟信号到数字信号，这个阶段有三步奏，分别是，采样，量化，编码。采样时对音波波形进行切割，采集。目前使用的采样率大多是44.1KHZ。量化是用舍尾取整法和四舍五入法将数值连续的模拟量抓换为数字量的过程。编码是将采样量化后的数据转换为文件的后续处理。如今对于模拟信号的转换，采用最多的是PCM 编码。转换为数字信号后，音频数据就能被存储起来。在音乐领域，CD 是最早被接受的存储方式，CD 的码率是1411.2Kbps。

编辑：多声道技术是声音能在数字化后编辑的关键要素。编辑分为实时编辑和非实时编辑。现在在直播行业很火爆的直播声卡，以及车载常用的DSP都是实时编辑，都是实时对音频进行编辑，完成一些特殊的效果。非实时编辑软件，常见的如Goldwave，Adobe Audition，Apowersoft，Audacity……

压缩：压缩由有损压缩和无损压缩两种形式组成。无损压缩是不损失任何信息的，但是文件相对要大一些，一首歌往往要几十兆。而有损压缩，舍弃了一定数据，保留人耳相对敏感的部分，从而让文件更小。

传输：数字音频在传输方便，相比之前的模拟时代，优势很大，若是像把数字音频文件拷贝到其他设备上，只需要复制，发送就行，不存在传输过程中的损耗。现在播放音频，蓝牙设备用的很多，蓝牙设备往往会使音质受损。因为很多蓝牙设备的最大传播速度有限制，因此它会对音频文件进行有损压缩，再加上所处的环境难免会有干扰，所以呈现的效果就是音质受损。近几年的技术有所进展，传播速度大幅度提升，如果两个蓝牙设备都是最新的版本，音质受损的情况会好很多。

播放：播放的设备有功率放大器，扬声器功率放大器材料上分为两种，分别是电子管和晶体管。功率放大器的工作原理，即把储存的模拟信号功率放大。扬声器又称为喇叭，根据工作频率，分为高音，中音，低音。

数字音频的内容不仅包含了比如音乐，歌剧，评书这样的传统听觉内容，也包含了当下流行的网络技术支持的声音艺术形态，比如计算机音乐，配音秀等。

数字音频技术被广泛地应用到多媒体领域业务中，发挥着非常关键的作用。简单来说，数字音频技术就是在专业仪器和特定编码系统的技术支撑下，最大限度地将收集到的声音信息以数字的形式表现出来，然后对其进行有效存储，并最终将数字信号转化成为原声。分析数字音频技术的历史发展和创作方式不难发现，其拥有非常广阔的发展空间，未来可期。

三、数字音频技术的发展现状

总体上来说，中国目前应用最广泛的数字音频技术主要涉及3种非常关键的技术参数。这些参数标准出现一定的误差，虽然不能对数字音频技术造成根本的影响，但也会在一定程度上影响该技术最终的呈现结果。

第一，采用频率，具体表现为一秒钟内进行信号收集的次数。选用采样频率时需要适用于奈奎斯特的采样理论。该理论的主要内容是在对某一模拟音频信号进行采样处理时，所应用的采样频率应该是原有信号最高频率的两倍左右；只有采取这一准则，才有可能在所采集到的信号中将原有声音信号最大限度地还原出来。但是，这种采样频率在使用过程中往往会受到外界各种不良因素的影响，对实际采样工作开展造成很大的阻碍作用。

第二，量化位数。它主要用来对模拟音频信号的出现频率用数字化的方式表现出来。利用这种方式，可以很清晰直观地观察到模拟信号的所在位置，可以很好地将模拟信号的动态范围采用数字化的方式显示出来。但是我国在对这种模拟信号进行收集的过程中发现，这种信号的发射位置并不能很好地显示出其幅度轴，从而导致所采集到的音频信号不够清晰。

第三，编码算法。对于音频信号的编码处理主要利用ISO 的MPEG组来有效进行，它可以对所采集的音频信号进行可靠分解，收获最高质保真的声音效果。但是实现这一目标，将需要更大存储空间。针对这一问题，则需要全新的存储算法一一压缩编码技术，但这种技术的算法原理在于将数字信号进行压缩处理；与此同时也会丢失一部分信息，以致最终所得到的声音效果将会有很大的概率发生失真。这是因为压缩编码技术以压缩比为主要计算方法，而且通常情况下，其数值小于1，而且当所压缩的模拟信号越多，其可能丢失的信息越多，进而造成信号还原后产生的失真概率就越大。但是，就目前中国的数字编码技术的发展程度而言，正好与此种情况形成强烈的对比。目前来说，中国的模拟信号存储量很少，所需要压缩的信号少，则造成的信号失真概率就越低。

四、数字音频技术的发展前景

虽然当前数字音频技术的发展愈来愈成熟稳定，但是社会的发展是不断更迭变化的，尤其是进人互联网信息时代，人们的观念也在与时俱进。因此，各种科学技术也应该顺应时代发展的脚步，不断改革进步，以便获得最好的发展。对于数字音频技术来说，也毫不例外。

（一）优化原有编码系统

现阶段，对于数字编码系统来说，在很多方面还存在一定的不足，尤其是在对信号的压缩率和保真度方面，往往不能做到两项工作的同时进行。数字音频技术的未来发展方向，应该继续对现有技术进行革新和优化，最大限度地提高音频质量，将该技术变成人人都能适用的大众方案。同样地，也有一小部分人会对音频的高质表现出更高的需求，且不考虑存储空间的大小，因此在实际生活中，也需要对该技术进行最完美的优化和改善处理，以期得到最高质的音频，从不同角度提升数字音频技术的核心竞争力。

（二）重点发展数字音频外接设备和工作站的优势特性

数字音频配套硬件主要是辅助数字音频技术的外接设备，同样在音频处理优化方面发挥着无可替代的关键作用。在数字化的背景下，该技术对外部设备的专业性和功能性要求更高。同时，硬件和硬件的有效联系和合作，也可以进而组成一个数字音频工作站。从录音行业的发展角度出发，在其初始发展阶段，应用最广泛的录音技术是多轨模拟录音；但是随着科学技术的发展，很快便被一种新型数字化多媒体设备所取代。实现对数字音频技术的硬件外接设备和计算机的数字化控制的有机融合，已成为数字音频技术非常重要的发展方向。

结语

对于目前数字音频在中国的发展与推广，该技术在多媒体领域和人们日常生活等方面已经得到非常重要的发展，但是在其他领域仍充满潜力。由此可见，对于数字音频技术的应用研究需要加大力度，以便将该技术的优势完全地发挥出来，最大限度地提升音频质量，提高用户体验。这不仅顺应了当今时代发展的改革潮流，也有利于提升国家对于此方面的竞争力，在激烈的市场竞争中获得长远发展。