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聲音采樣背后的原理，采樣、量化和編碼簡(jiǎn)介！

采樣是指用每隔一定時(shí)間的信號(hào)樣值序列來(lái)代替原來(lái)在時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)，也就是在時(shí)間上將模擬信號(hào)離散化。量化是用有限個(gè)幅度值近似原來(lái)連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量的有一定間隔的離散值。編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的值用二進(jìn)制數(shù)字表示。

把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換，它主要包括：

采樣：在時(shí)間軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化。
量化：在幅度軸上對(duì)信號(hào)數(shù)字化。
編碼：按一定格式記錄采樣和量化后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

采樣頻率：

聲音采樣頻率是指一秒鐘內(nèi)采樣的次數(shù)。奈奎斯特（Harry Nyquist）采樣理論：如果對(duì)某一模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，則聲音采樣后可還原的最高信號(hào)頻率只有采樣頻率的一半，或者說(shuō)只要采樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，就能從聲音采樣信號(hào)系列重構(gòu)原始信號(hào)。根據(jù)該采樣理論，CD激光唱盤(pán)采樣頻率為44KHz，可記錄的最高音頻為22KHz，這樣的音質(zhì)與原始聲音相差無(wú)幾，也就是我們常說(shuō)的超級(jí)高保真音質(zhì)（Super High Fidelity-HiFi）。采樣的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率分別為：44.1KHz，22.05KHz和11.025KHz。

音樂(lè)采樣是指錄音設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)模擬信號(hào)采樣的多少，音樂(lè)采樣器的頻率越高，機(jī)械波的波形就越真實(shí)越自然。在當(dāng)今的主流采集卡上，采樣頻率一般共分為11025Hz、22050Hz、24000Hz、44100Hz、48000Hz五個(gè)等級(jí)，11025Hz能達(dá)到AM調(diào)幅廣播的聲音品質(zhì)，而22050Hz和24000HZ能達(dá)到FM調(diào)頻廣播的聲音品質(zhì)，44100Hz則是理論上的CD音質(zhì)界限，48000Hz則更加精確一些。

聲波其實(shí)是一種機(jī)械波，因此也有波長(zhǎng)和振幅的特征，波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于時(shí)間軸線，振幅對(duì)應(yīng)于采樣值軸線。波是無(wú)限光滑的，弦線可以看成由無(wú)數(shù)點(diǎn)組成，由于存儲(chǔ)空間是相對(duì)有限的，數(shù)字編碼過(guò)程中，必須對(duì)弦線的點(diǎn)進(jìn)行采樣。采樣的過(guò)程就是抽取某點(diǎn)的采樣值，很顯然， 音樂(lè)采樣器 在單位時(shí)間中內(nèi)抽取的點(diǎn)越多，獲取得波長(zhǎng)信息更豐富，為了復(fù)原波形，一個(gè)周期中，必須有至少2個(gè)點(diǎn)的采樣，人耳能夠感覺(jué)到的最低波長(zhǎng)為1.7cm，即20000Hz，因此要滿足人耳的聽(tīng)覺(jué)要求，則1s采樣至少40000次，用40000Hz（40kHz）表達(dá)，這個(gè)40kHz就是采樣率。我們常見(jiàn)的CD，采樣率為44.1kHz。

音樂(lè)采樣器 采集過(guò)程中視頻和音頻同步是非常重要的，光有波長(zhǎng)信息是不夠的，我們還必須獲得該波長(zhǎng)的能量值并量化，用于表示信號(hào)強(qiáng)度。量化電平數(shù)為2的整數(shù)次冪，我們常見(jiàn)的CD位16級(jí)的采樣大小，即2的4次方。采樣大小相對(duì)采樣率更難理解，因?yàn)橐@得抽象點(diǎn)，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：假設(shè)對(duì)一個(gè)波進(jìn)行8次采樣，采樣點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的能量值分別為A1-A8，但我們只使用2bit的采樣大小，結(jié)果我們只能保留A1-A8中4個(gè)點(diǎn)的值而舍棄另外4個(gè)。如果我們進(jìn)行3bit的采樣大小，則剛好記錄下8個(gè)點(diǎn)的所有信息。采樣率和采樣大小的值越大，記錄的波形更接近原始信號(hào)。

以上就是關(guān)于聲音采樣背后的原理，采樣、量化和編碼簡(jiǎn)介的詳細(xì)介紹。