数字音频技术7章

数字音频技术第7章数字音频文件格式与接口标准第7章数字音频文件格式与接口标准§7.1数字音频文件格式§7.2数字音频接口标准简介7.2.1AES/EBU(AES3—1992)接口标准7.2.2标准型民用接口(IEC958，类型2)7.2.3SPDIF-2接口7.2.4多通道音频数字接口(MADI)7.2.5其他标准接口§7.3小结§7.4习题§7.1数字音频文件格式是直接记录了原始真实声音信息的数据文件数字音频文件的格式波形音频文件MlDI文件压缩格式非压缩格式Wave文件(*．wav)、Voice文件(*.voc)；MP3文件、RealAudio文件(*．ra／*．rm)、WMA文件是一种乐器演奏指令序列，相当于乐谱．因此又称之为非波形音频文件。1.Wave文件——*．wavWave格式是Microsoft和IBM公司开发的一种波形(Wave)音频文件格式，符合RIFF(ResourceInterchangeFileFormat)文件规范，被Windows平台及其应用程序所广泛支持。Wave文件所存储的音频数据是对声音模拟波形进行采样所得的PCM样值数据，也称为波形文件。Wave文件的大小=采样频率(Hz)×量化比特数(bit)×(声道数／8)×录音时间(s)。例如，用44.1kHz的采样频率对声波进行采样，每个采样点的量化比特数选用16bit，则录制1s的立体声节目,其*wav文件的大小为44100×16×2／8B=176400B。可见，*wav文件所需的存储容量相当可观。Wave文件——*.wav如果对声音质量要求不高，则可通过降低采样频率，采用较少的量化比特数或利用单声道来录制*.wav文件。此时的*．wav文件大小可以成倍地减小。实践表明，用22.05kHz采样频率和8bit的量化精度，可取得较好的音质，其效果可以达到相当于调幅(AM)广播的音质。Wave文件格式支持CCITTA律和µ律、ADPCM等压缩算法，是PC机上最为流行的音频文件格式。Windows的convert工具也可以将PCM音频文件转换成*．wav／文件。微软SoundSystem软件SoundFinder可以将*．aif和*．voc文件转换成*.wav文件。2．Voice文件——*.vocVoice文件是CreativeLabs(创新公司)开发的一种波形音频文件格式。在DOS程序和游戏中常遇到这种文件，多用于保存CreativeSoundBlaster(创新声霸)系列声卡所采集的声音数据，被Windows平台和DOS平台所支持，支持CCITTA律和u律等压缩算法。3．音频交换文件——*.aif／*.aiffAiFF(AudioInterchangeFileFormat)是苹果计算机公司开发的一种音频交换文件格式，被Macintosh平台及其应用程序、NetscapeNavigator浏览器中的LiveAudio、SGI工作站以及其他专业音频软件包支持。4．Audio文件——*.auAudio文件是SUNMicrosvsterns公司和NeXTComputer公司推出的一种声音文件存储格式(8位u律编码或者16位线性PCM编码)，是Internet中常用的多媒体声音文件格式，5.MPEG音频文件——MP1／MP2／MP3／MP4／AACMPEG(MovingPictureExpertsGroup)音频文件格式指的是MPEG标准中的音频部分，即MPEG音频层(MPEGAudioLayer)。MPEG音频文件的压缩是一种有损压缩，根据压缩质量和编码复杂程度的不同可分3层(MPEGAudioLayer1／2／3)，分别对应MP1、MP2和MP3这3种声音文件。MPEG音频文件一MP1／MP2／MP3／MP4／AAC续MPEG音频编码具有很高的压缩率。MP1和MP2的压缩率分别为4：1和6：1～8：1MP3的压缩率则高达10：1～12：1，即1minCD音质的音乐，未经压缩需要10MB存储空间，而经过MP3压缩编码后只有1MB左右，其音质基本保持不失真，因此，目前使用最多的是MP3文件格式。MP4采用的是美国电报电话公司(AT＆T)开发的以“感知编码”为关键技术的音乐玉缩技术，由美国网络技术公司(GMO)及RIAA联合公布的一种新的音乐格式。MP4在文件中采用保护版权的编码技术，只有特定用户才可以播放，有效地保证了音乐版权的合法性。另外MP4的压缩比达到了15：1，体积比MP3更小，但音质并没有下降。AAC是由FraunhoferⅡS-A、Dolby(杜比)和AT&T共同开发的音频格式。是MPEG-2规范的一部分。它同时支持多达48千音轨、15个低频音轨、更多种采样频率和数码率、多种语言的兼容能力、更高的解码效率。6．RealAudio文件——*.ra／*.rmRealAudio文件是RealNetworks公司开发的一种流式音频(StreamingAudio)文件格式，最大的特点就是可以实时传输音频信息，尤其是在网络速度较慢的情况下，仍然可以较为流畅地传送数据，因此RealAudio主要适用于网络上的在线播放。现在的RealAudio文件的主要格式有RA(RealAudio)、RM(RealMedia)等，这些文件的共向性在于随着网络带宽的不同而改变声音的质量，在保证大多数人听到流畅声音的前提下，令带宽较宽的听众获得较好的音质。对于14.4kbit／s的网络连接，可获得调幅(AM)广播的音质；对于28.8kbit／s的连接，可以达到广播级的声音质量;如果拥有ISDN或更快的线路连接，则可获得CD音质的声音。7．WMA文件——*.wmaWMA(WindowsMediaAudio)格式是Microsoft公司针对RealNetworks公司开发的新一代网上流式音频文件格式。其特点是同时兼顾了保真度和网络传输需求，所以具有一定的先进性。优点：1）采用WMA格式压缩的音频文件比MP3文件要小得多，并且音质要强于MF3格式，更远胜于RA格式;2）压缩比一般可以达到18：1左右。同一格式，音质好的可与CD媲美，压缩率较高的可用于网络广播。WMA文件——*.wma续3）WMA的另一个优点是内容提供商可以通过数字版权管理(DigitalRightsManagement)方案如WindowsMediaRightsManager7加入防复制保护，这种内置了版权保护技术可以限制播放时间、播放次数甚至播放的机器等等，可有力地防止盗版。4）在操作系统WindowsXP中，WMA是默认的音频编码格式。可以使用WindowsMediaPlayer或WinAMP进行播放。WindowsMediaPlayer7.0更是增加了直接把CD光盘转换为WMA声音格式的功能，WMA这种格式在录制时可以对音质进行调节。8．MIDI文件——*.midMIDI是乐器数字接口，是数字音乐／电子合成器的统一国际标准，它定义了计算机音乐程序、电子合成器和其他电子设备之间交换信息与控制信号的方式，还规定了不同厂家的电子乐器与计算机连接的电缆和硬件及设备间数据传输的协议，可用于不同乐器创建的数字声音，可模拟大提琴、小提琴、钢琴等常见乐器.MIDI文件存储MIDI消息的标准文件格式，文件中包含多达16个通道的乐器定义以及每个通道的演奏音符信息：键、通道号、音长、音量和力度(击键时，键达到最低位置的速度)。所以，MIDI文件记录的不是乐曲本身，而是一些描述乐曲演奏过程中的指令。计算机将这些指令发送给声卡，声卡按照指令将声音合成出来，MIDI声音在重放时可以有不同的效果，这取决于音乐合成器的质量。由于MIDI文件记录的是一系列指令而不是数字化后的波形数据，因此它占用存储空间比Wave文件要小很多。§7.2数字音频接口标准简介模拟音频设备在进行连接时要注意设备之间的电平匹配、阻抗匹配以及连接方式的一致性(指平衡与不平衡的一致性)，即使产生一些偏差也不会造成信号很大的失真，因此在模拟设备中不特意提及设备之间的接口.但在数字音频设备的互连系统中，接口模式至关重要。其原因在于数字化设备在进行A/D、D/A变换以及数字信号处理时所使用的采样频率及量化比特数彼此存在差异，因此要求互连设备的采样频率及量化比特数应保持一致，否则对传输的信号将产生损伤乃至不能工作。为了实现不同格式的数字音频设备之间的相互连接，故而制定出大家共同遵守的、统一的数字信号输入／输出格式对接，即数字音频接口标准。目前在数字音频应用领域中，数字音频接口标准有很多，下面对一些主要的接口标准进行简单的介绍。7.2.1AES/EBU(AES3-1992)接口标准AES／EBU接口标准是由AudioEngineeringSociety／EuropeanBroadcastUnion(美国音频工程协会／欧洲广播联盟)制定的一种专业的数字音频接口标准，现广泛应用于大量的民用产品和专业的数字音频设备，如CD机、DAT、MD机、顶级采样器、大型数字调音台、专业数字音频工作站等。AES/EBU接口标准与AES3-1992、国际电工委员会(InternationalElectrotechnical图7-1平衡式接口Commission)的IEC958(类型1)、CCIRRec.647和EBUTech3250E基本一致，它可以通过一个平衡式接口来串行传送被复用的双通道数字音频信号，采用的平衡驱动器和接收器与用于RS422数字传输的标准类似，其输出电平为2～7V，如图7-1所示。AES/EBU(AES3-1992)接口标准-1AES/EBU接口采用的传输介质是同轴电缆或双绞线。专业的接口允许电缆的长度为100～300m。在不加均衡的情况下，这种接口允许的传输距离可以达到100m；如果加均衡，则可以传输得更远。图7-1平衡式接口AES/EBU(AES3-1992)接口标准-通道编码AES／EBU接口的通道编码采用双相标志码，其波形如图7-2所示。它是一种二进制频率调制通道码。无论码元为“1”或“0”，在每个数据比特周期的开始都有一个电平跳变。而且每个码元“1”的中间有一个跳变，为归零码；对于码元“0”，在整个比特周期之内保持电平不变。双相标志码编码的数据流中不会出现连续的“1”或“0”。选种编码方式保证了数据能够自锁定，带宽有限、无直流成分和无极性相关性。图7-2双相标志码AES/EBU(AES3—1992)接口标准-帧格式音频帧格式如下图。在一个采样周期内传输一帧。每一帧由两个子帧构成，每一子帧包含一个通道的音频样值.一个音频样值是一个经采样、量化，并以2的补码方式表示的数字音频信号。对于立体声传输，子帧1包含的是左声道的音频样值，而子帧2则包含右声道的音频样值。192帧复用在一起形成一个音频块，构成AES数字音频流.图7-3AES／EBU的音频帧格式AES／EBU的模式与连接媒质AES／EBU提供“专业”和“消费”两种模式。它们两者最大的不同在于通道状态位格式的提供上。专业模式的状态位格式里包括数字通道的源和目的地址、日期时间码、采样点数、字节长度和其他信息。消费模式包括的内容较少，但包含了复制保护信息。AES／EBU的普通物理连接媒质有：1)平衡或差分连接，使用XLR(卡依)连接器的三芯话筒屏蔽电缆，阻抗为110Ω，电平范围为0.2V～5VP-P，抖动为±20ns。2)单端非平衡连接，使用RCA插头的音频同轴电缆。3)光学连接，使用光纤连接器。标准型民用接口(IEC958，类型2)实际上与S／PDIF(Sony／PhilipsDigitalInterfaceFormat)一样，与专业的AES／EBU接口非常相似，但是它采用特性阻抗为75Ω的同轴电缆来进行不平衡的电气连接。该接口常用于准专业级或民用级数字音频设备的技术规格中,如CD播放机和DAT机。通常其端口采用的是RCA型唱机接口.尽管有些Hi-Fi设备也采用光缆来传送同样的信号，实