有關MP3音頻編碼基礎知識

有關MP3音頻編碼基礎知識

通常我們采用脈沖代碼調制編碼，即PCM編碼。PCM通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字編碼。

1、什么是采樣率和采樣大小（位/bit）？

　　頻率對應于時間軸線，振幅對應于電平軸線。波是無限光滑的，弦線可以看成由無數(shù)點組成，由于存儲空間是相對有限的，數(shù)字編碼過程中，必須對弦線的點進行采樣。采樣的過程就是抽取某點的頻率值，很顯然，在一秒中內抽取的點越多，獲取得頻率信息更豐富，為了復原波形，一次振動中，必須有2個點的采樣，人耳能夠感覺到的最高頻率為20kHz，因此要滿足人耳的聽覺要求，則需要至少每秒進行40k次采樣，用40kHz表達，這個40kHz就是采樣率。我們常見的CD，采樣率為44.1kHz。光有頻率信息是不夠的，我們還必須獲得該頻率的能量值并量化，用于表示信號強度。量化電平數(shù)為2的整數(shù)次冪，我們常見的CD位16bit的采樣大小，即2的16次方。采樣大小相對采樣率更難理解，因為要顯得抽象點，舉個簡單例子：假設對一個波進行8次采樣，采樣點分別對應的能量值分別為A1-A8，但我們只使用2bit的采樣大小，結果我們只能保留A1-A8中4個點的值而舍棄另外4個。如果我們進行3bit的采樣大小，則剛好記錄下8個點的所有信息。采樣率和采樣大小的值越大，記錄的波形更接近原始信號。

2、有損和無損

　　根據(jù)采樣率和采樣大小可以得知，相對自然界的信號，音頻編碼最多只能做到無限接近，至少目前的技術只能這樣了，相對自然界的信號，任何數(shù)字音頻編碼方案都是有損的，因為無法完全還原。在計算機應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV文件中均有應用。因此，PCM約定俗成了無損編碼，因為PCM代表了數(shù)字音頻中最佳的保真水準，并不意味著PCM就能夠確保信號絕對保真，PCM也只能做到最大程度的無限接近。我們而習慣性的把MP3列入有損音頻編碼范疇，是相對PCM編碼的。強調編碼的相對性的有損和無損，是為了告訴大家，要做到真正的無損是困難的，就像用數(shù)字去表達圓周率，不管精度多高，也只是無限接近，而不是真正等于圓周率的值。

3、為什么要使用音頻壓縮技術

　　要算一個PCM音頻流的碼率是一件很輕松的事情，采樣率值×采樣大小值×聲道數(shù)bps。一個采樣率為44.1KHz，采樣大小為16bit，雙聲道的PCM編碼的WAV文件，它的數(shù)據(jù)速率則為 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我們常說128K的MP3，對應的WAV的參數(shù)，就是這個1411.2 Kbps，這個參數(shù)也被稱為數(shù)據(jù)帶寬，它和ADSL中的帶寬是一個概念。將碼率除以8，就可以得到這個WAV的數(shù)據(jù)速率，即176.4KB/s。這表示存儲一秒鐘采樣率為44.1KHz，采樣大小為16bit，雙聲道的PCM編碼的音頻信號，需要176.4KB的空間，1分鐘則約為10.34M，這對大部分用戶是不可接受的，尤其是喜歡在電腦上聽音樂的朋友，要降低磁盤占用，只有2種方法，降低采樣指標或者壓縮。降低指標是不可取的，因此專家們研發(fā)了各種壓縮方案。由于用途和針對的目標市場不一樣，各種音頻壓縮編碼所達到的音質和壓縮比都不一樣，在后面的文章中我們都會一一提到。有一點是可以肯定的，他們都壓縮過。

4、頻率與采樣率的關系

　　采樣率表示了每秒對原始信號采樣的次數(shù)，我們常見到的音頻文件采樣率多為44.1KHz，這意味著什么呢？假設我們有2段正弦波信號，分別為20Hz和20KHz，長度均為一秒鐘，以對應我們能聽到的最低頻和最高頻，分別對這兩段信號進行40KHz的采樣，我們可以得到一個什么樣的結果呢？結果是：20Hz的信號每次振動被采樣了40K/20=2000次，而20K的信號每次振動只有2次采樣。顯然，在相同的采樣率下，記錄低頻的信息遠比高頻的詳細。這也是為什么有些音響發(fā)燒友指責CD有數(shù)碼聲不夠真實的原因，CD的44.1KHz采樣也無法保證高頻信號被較好記錄。要較好的記錄高頻信號，看來需要更高的采樣率，于是有些朋友在捕捉CD音軌的時候使用48KHz的采樣率，這是不可取的！這其實對音質沒有任何好處，對抓軌軟件來說，保持和CD提供的44.1KHz一樣的采樣率才是最佳音質的保證之一，而不是去提高它。較高的采樣率只有相對模擬信號的時候才有用，如果被采樣的信號是數(shù)字的，請不要去嘗試提高采樣率。

　　因為，根據(jù)耐奎斯特采樣理論，你的采樣頻率必須是信號最高頻率的兩倍。例如，音頻信號的頻率一般達到20Hz，因此其采樣頻率一般需要40Hz。 而人耳收聽的范圍只能到23Khz以下，所以CD的采樣率才是44.1Khz。22Khz×2=44Khz,考慮到一定的余量采用44.1Khz.

5、流特征

　　隨著網絡的發(fā)展，人們對在線收聽音樂提出了要求，因此也要求音頻文件能夠一邊讀一邊播放，而不需要把這個文件全部讀出后然后回放，這樣就可以做到不用下載就可以實現(xiàn)收聽了。也可以做到一邊編碼一邊播放，正是這種特征，可以實現(xiàn)在線的直播，架設自己的數(shù)字廣播電臺成為了現(xiàn)實。