오디오
사람의 귀로들을 수있는 음파가 20Hz ~ 20kHz 사이 인 음파를 말합니다.
컴퓨터에 해당 오디오 카드를 추가하면, 우리가 흔히 말하는 사운드 카드는 모든 사운드를 녹음 할 수 있으며 사운드 레벨과 같은 사운드의 음향 특성을 컴퓨터 하드 디스크에 파일로 저장할 수 있습니다. 디스크. 반대로 특정 오디오 프로그램을 사용하여 저장된 오디오 파일을 재생하여 이전에 녹음 된 사운드를 복원 할 수도 있습니다.
1 오디오 파일 형식
오디오 파일 형식은 특히 오디오 데이터를 저장하는 파일 형식을 나타냅니다. 다양한 형식이 있습니다.
오디오 데이터를 얻는 일반적인 방법은 고정 된 시간 간격으로 오디오 전압을 샘플링 (양자화)하고 결과를 특정 해상도로 저장하는 것입니다 (예 : CDDA의 각 샘플은 16 비트 또는 2 바이트). 샘플링 간격은 다른 표준을 가질 수 있습니다. 예를 들어, CDDA는 초당 44,100 번을 사용합니다. DVD는 초당 48,000 회 또는 96,000 회를 사용합니다. 따라서 [샘플링 속도], [해상도] 및 [채널] 수 (예 : 스테레오의 경우 2 채널)는 오디오 파일 형식의 주요 매개 변수입니다.
1.1 손실 및 무손실
디지털 오디오의 제작 과정에 따르면 오디오 코딩은 자연 신호에 무한히 가깝습니다. 적어도 현재의 기술은 이것을 할 수 있습니다. 디지털 오디오 코딩 체계는 완전히 복원 할 수 없기 때문에 손실이 발생합니다. 컴퓨터 응용 프로그램에서 최고 수준의 충실도는 PCM 인코딩으로, 자료 보존 및 음악 감상에 널리 사용됩니다. CD, DVD 및 일반적인 WAV 파일에 사용됩니다. 따라서 PCM은 디지털 오디오에서 최상의 충실도 수준을 나타 내기 때문에 일반적으로 무손실 인코딩이되었습니다.
오디오 파일 형식에는 두 가지 주요 유형이 있습니다.
WAV, PCM, TTA, FLAC, AU, APE, TAK, WavPack (WV)과 같은 무손실 형식
MP3, WMA (Windows Media Audio), OGG (Ogg Vorbis), AAC와 같은 손실 형식
2 매개 변수 소개
2.1 샘플링 속도
초당 얻은 사운드 샘플 수를 나타냅니다. 소리는 실제로 일종의 에너지 파동이므로 주파수와 진폭의 특성도 있습니다. 주파수는 시간 축에 해당하고 진폭은 레벨 축에 해당합니다. 물결은 무한히 매끄럽고 끈은 무수한 점으로 구성되어 있다고 볼 수 있습니다. 저장 공간이 상대적으로 제한되어 있기 때문에 디지털 인코딩 프로세스 중에 문자열의 포인트를 샘플링해야합니다.
샘플링 과정은 특정 지점의 주파수 값을 추출하는 것입니다. 당연히 22050 초에 더 많은 포인트가 추출 될수록 더 많은 주파수 정보를 얻을 수 있습니다. 파형을 복원하기 위해 샘플링 주파수가 높을수록 음질이 좋아집니다. 더 실제적인 복원이지만 동시에 더 많은 자원을 차지합니다. 인간 귀의 제한된 해상도로 인해 너무 높은 주파수를 구별 할 수 없습니다. 44100의 샘플링 주파수가 일반적으로 사용되고 48,000은 이미 CD 음질이며 96,000 또는 24 이상의 샘플링은 더 이상 인간의 귀에 의미가 없습니다. 이것은 영화의 초당 XNUMX 프레임과 비슷합니다. 스테레오 인 경우 샘플은 두 배가되고 파일은 거의 두 배가됩니다.
Nyquist 샘플링 이론에 따르면 사운드가 왜곡되지 않도록하려면 샘플링 주파수가 약 40kHz 여야합니다. 이 정리가 어떻게 생겼는지 알 필요가 없습니다. 이 정리가 신호를 정확하게 기록하려면 샘플링 주파수가 오디오 신호의 최대 주파수의 두 배 이상이어야한다는 것을 의미한다는 것만 알면됩니다. 최대 주파수입니다.
디지털 오디오 분야에서 일반적으로 사용되는 샘플링 속도는 다음과 같습니다.
8000Hz- 전화에서 사용하는 샘플링 속도로 사람의 말에 충분합니다.
전화기에서 사용되는 11025Hz 샘플링 속도
라디오 방송에 사용되는 22050Hz 샘플링 속도
miniDV 디지털 비디오 캠코더, DAT (LP 모드)에 대한 32000Hz 샘플링 속도
44100 Hz- 오디오 CD, MPEG-1 오디오 (VCD, SVCD, MP3)의 샘플링 속도로도 일반적으로 사용됨
상용 PCM 레코더에서 사용하는 47250Hz 샘플링 속도
miniDV, 디지털 TV, DVD, DAT, 영화 및 전문 오디오에 사용되는 디지털 사운드에 대한 48000Hz 샘플링 속도
상업용 디지털 레코더에서 사용하는 50000 Hz 샘플링 속도
96000Hz 또는 192000Hz-DVD-Audio, 일부 LPCM DVD 오디오 트랙, BD-ROM (Blu-ray Disc) 오디오 트랙 및 HD-DVD (High Definition DVD) 오디오 트랙에 사용되는 샘플링 속도
2.2 샘플링 비트 수
샘플링 비트 수는 샘플링 크기 또는 양자화 비트 수라고도합니다. 사운드의 변동, 즉 사운드 카드의 해상도를 측정하는 데 사용되는 매개 변수이거나 사운드 카드가 처리하는 사운드 카드의 해상도로 이해할 수 있습니다. 값이 클수록 해상도가 높아지고 녹음 및 재생되는 사운드가 더욱 사실적입니다. 사운드 카드의 비트는 사운드 파일을 수집하고 재생할 때 사운드 카드가 사용하는 디지털 사운드 신호의 이진수를 나타냅니다. 사운드 카드의 비트는 입력 사운드 신호에 대한 디지털 사운드 신호의 설명의 정확성을 객관적으로 반영합니다. 일반적인 사운드 카드는 주로 8 비트와 16 비트입니다. 오늘날 시장에 나와있는 모든 주류 제품은 16 비트 이상의 사운드 카드입니다.
샘플링 된 각 데이터는 진폭을 기록하며 샘플링 정확도는 샘플링 비트 수에 따라 달라집니다.
1 바이트 (즉, 8 비트)는 256 개의 숫자 만 기록 할 수 있습니다. 즉, 진폭은 256 레벨로만 나눌 수 있습니다.
2 바이트 (즉, 16 비트)는 이미 CD 표준 인 65536만큼 작을 수 있습니다.
4 바이트 (즉, 32 비트)는 진폭을 4294967296 레벨로 세분화 할 수 있으며 이는 실제로 불필요합니다.
2.3 채널 수
즉, 사운드 채널의 수입니다. 일반적인 모노 및 스테레오 (듀얼 채널)는 이제 5.1 음 서라운드 (XNUMX 채널) 및 XNUMX 채널로 발전했습니다.
2.3.1 모노
모노는 비교적 원시적 인 형태의 사운드 재생이며 초기 사운드 카드가 더 일반적으로 사용했습니다. 모노 사운드는 하나의 스피커로만 들릴 수 있으며 일부는 두 개의 스피커로 처리되어 동일한 사운드 채널을 출력합니다. 두 개의 스피커를 통해 모노 정보를 재생하면 두 개의 스피커에서 나오는 소리가 분명하게 느껴집니다. 스피커 중앙에서 우리 귀로 전달되는 음원의 특정 위치를 파악하는 것은 불가능합니다.
2.3.2 스테레오
바 이노 럴 채널에는 두 개의 사운드 채널이 있습니다. 원리는 사람들이 소리를들을 때 왼쪽 귀와 오른쪽 귀의 위상차에 따라 음원의 특정 위치를 판단 할 수 있다는 것입니다. 녹음 과정에서 사운드는 두 개의 독립적 인 채널에 할당되어 좋은 사운드 위치 파악 효과를 얻을 수 있습니다. 이 기술은 음악 감상에 특히 유용합니다. 청취자는 다양한 악기가 나오는 방향을 명확하게 구분할 수 있으므로 음악이 더 상상력이 넘치고 현장 경험에 더 가깝습니다.
현재 가장 일반적으로 사용되는 음성은 두 가지입니다. 노래방에서 하나는 음악을 연주하기위한 것이고 다른 하나는 가수의 목소리를위한 것입니다. VCD에서 하나는 만다린으로 더빙하고 다른 하나는 광둥어로 더빙합니다.
2.3.3 XNUMX 톤 서라운드
4.1 채널 서라운드는 전방 좌측, 전방 우측, 후방 좌측 및 후방 우측의 네 가지 음향 지점을 정의하며 청중은 이들에 둘러싸여 있습니다. 또한 저주파 신호의 재생 처리를 강화하기 위해 서브 우퍼를 추가하는 것이 좋습니다 (이것이 오늘날 XNUMX 채널 스피커 시스템이 널리 보급되는 이유입니다). 전반적인 효과에 관한 한 XNUMX 채널 시스템은 청취자에게 여러 방향에서 서라운드 사운드를 제공하고 다양한 환경에있는 청각 적 경험을 얻을 수 있으며 사용자에게 새로운 경험을 제공 할 수 있습니다. 오늘날 XNUMX 채널 기술은 다양한 중고급 사운드 카드 디자인에 광범위하게 통합되어 향후 개발의 주류 트렌드가되었습니다.
2.3.4 5.1 채널
5.1 채널은 다양한 전통 극장과 홈 씨어터에서 널리 사용되었습니다. Dolby AC-3 (Dolby Digital), DTS 등과 같이 잘 알려진 사운드 녹음 압축 형식 중 일부는 5.1 사운드 시스템을 기반으로합니다. ".1"채널은 주파수 응답 범위가 20 ~ 120Hz 인 서브 우퍼를 생성 할 수 있도록 특별히 설계된 서브 우퍼 채널입니다. 사실 5.1 사운드 시스템은 4.1 서라운드에서 나왔지만 차이점은 센터 유닛을 추가한다는 것입니다. 이 센터 유닛은 80Hz 이하의 사운드 신호를 전송하여 영화를 볼 때 사람의 목소리를 강화하고 전체적인 효과를 높이기 위해 전체 음장의 중앙에 대화를 집중시키는 데 도움이됩니다.
현재 QQ Music과 같은 많은 온라인 음악 플레이어는 평가판 듣기 및 다운로드를 위해 5.1 채널 음악을 제공하고 있습니다.
2.4 프레임
오디오 프레임의 개념은 비디오 프레임만큼 명확하지 않습니다. 거의 모든 비디오 인코딩 형식은 프레임을 인코딩 된 이미지로 생각할 수 있습니다. 그러나 오디오 프레임은 각 인코딩 표준에 의해 구현되는 인코딩 형식과 관련이 있습니다.
예를 들어 PCM (인코딩되지 않은 오디오 데이터)의 경우 프레임 개념이 전혀 필요하지 않으며 샘플링 속도와 샘플링 정확도에 따라 재생할 수 있습니다. 예를 들어 샘플링 속도가 44.1kHZ이고 샘플링 정확도가 16 비트 인 듀얼 오디오의 경우 비트 전송률이 44100162bps이고 초당 오디오 데이터가 고정 된 44100162/8 바이트라고 계산할 수 있습니다.
amr 프레임은 비교적 간단합니다. 20ms마다 오디오가 프레임이고 오디오의 각 프레임은 독립적이며 다른 인코딩 알고리즘과 다른 인코딩 매개 변수를 사용할 수 있습니다.
mp3 프레임은 좀 더 복잡하며 샘플링 속도, 비트 속도 및 다양한 매개 변수와 같은 더 많은 정보를 포함합니다.
2.5주기
한 번에 처리하기 위해 오디오 장치에 필요한 프레임 수, 오디오 장치의 데이터 액세스 및 오디오 데이터 저장은 모두이 장치를 기반으로합니다.
2.6 인터리브 모드
디지털 오디오 신호의 저장 방법. 데이터는 연속 프레임으로 저장됩니다. 즉, 프레임 1의 왼쪽 채널 샘플과 오른쪽 채널 샘플이 먼저 기록 된 다음 프레임 2의 기록이 시작됩니다.
2.7 비 인터레이스 모드
먼저 일정 기간의 모든 프레임의 왼쪽 채널 샘플을 기록한 다음 모든 오른쪽 채널 샘플을 기록합니다.
2.8 비트 전송률 (비트 전송률)
비트 전송률은 초당 음악으로 재생되는 데이터의 양을 나타내는 비트 전송률이라고도합니다. 단위는 8 진 비트 인 비트로 표시됩니다. bps는 비트 전송률입니다. b는 비트 (비트), s는 초 (초), p는 모든 (당), 4 바이트는 128 개의 이진 비트와 동일합니다. 즉, 128bps의 8 분짜리 곡의 파일 크기는 다음과 같이 계산됩니다. 비율, 아마 크기는 약 460-3840 BM입니다.
컴퓨터 응용 프로그램에서 최고 수준의 충실도는 PCM 인코딩으로 널리 사용됩니다. 자료 보존 및 음악 감상을 위해. CD, DVD 및 일반 WAV 파일이 모두 사용됩니다. 따라서 PCM은 디지털 오디오에서 최상의 충실도 수준을 나타 내기 때문에 일반적으로 무손실 인코딩이되었습니다. PCM이 신호의 절대 충실도를 보장 할 수 있다는 의미는 아닙니다. PCM은 최대 무한 근접 만 달성 할 수 있습니다.
PCM 오디오 스트림의 비트 전송률을 계산하는 것은 매우 쉬운 작업입니다. 샘플링 속도 값 × 샘플링 크기 값 × 채널 번호 bps입니다. 샘플링 속도가 44.1KHz이고 샘플링 크기가 16 비트이고 이중 채널 PCM 인코딩 인 WAV 파일의 데이터 속도는 44.1K × 16 × 2 = 1411.2Kbps입니다. 우리의 일반적인 오디오 CD는 PCM 인코딩을 사용하며 CD의 용량은 72 분의 음악 정보 만 저장할 수 있습니다.
듀얼 채널 PCM 인코딩 오디오 신호는 176.4 초에 1KB, 10.34 분에 약 1M의 공간이 필요합니다. 이것은 대부분의 사용자, 특히 컴퓨터에서 음악을 듣고 싶어하는 사용자에게는 허용되지 않습니다. 디스크 점유, 다운 샘플링 인덱스 또는 압축의 두 가지 방법 만 있습니다. 샘플링 지수를 줄이는 것은 바람직하지 않으므로 전문가들은 다양한 압축 체계를 개발했습니다. 가장 독창적 인 것은 DPCM, ADPCM이고 가장 유명한 것은 MP3입니다. 따라서 데이터 압축 후 코드 율은 원래 코드보다 훨씬 낮습니다.
2.9 계산 예
예를 들어 "Windows XP startup.wav"의 파일 길이는 424,644 바이트이며 "22050HZ / 16bit / stereo"형식입니다.
그러면 초당 전송 속도 (비트 속도, 비트 속도, 샘플링 속도라고도 함)는 22050162 = 705600 (bps), 바이트 단위로 변환하면 705600/8 = 88200 (초당 바이트), 재생 시간 : 424644 (총 바이트) / 88200 (초당 바이트) ≈ 4.8145578 (초).
그러나 이것은 충분히 정확하지 않습니다. 표준 PCM 형식의 WAVE 파일 (* .wav)에는 최소 42 바이트의 헤더 정보가 있으므로 재생 시간을 계산할 때 제거해야합니다. 따라서 다음이 있습니다. (424644-42) / (22050162/8) ≈ 4.8140816 ( 초). 이것은 더 정확합니다.
3 PCM 오디오 인코딩
PCM은 Pulse Code Modulation을 나타냅니다. PCM 프로세스에서 입력 아날로그 신호는 샘플링, 양자화 및 코딩되며 이진 코딩 된 숫자는 아날로그 신호의 진폭을 나타냅니다. 수신 측은 이러한 코드를 원래 아날로그 신호로 복원합니다. 즉, 디지털 오디오의 A / D 변환에는 샘플링, 양자화 및 인코딩의 세 가지 프로세스가 포함됩니다.
음성 PCM의 채택률은 8kHz이고 샘플링 비트 수는 8 비트이므로 음성 디지털 코딩 신호의 코드 속도는 8 비트 × 8kHz = 64kbps = 8KB / s입니다.
3.1 오디오 코딩의 원리
특정 전자적 기반을 가진 사람은 센서가 수집 한 오디오 신호가 아날로그 양이라는 것을 알고 있지만 실제 전송 과정에서 사용하는 것은 디지털 양입니다. 여기에는 아날로그를 디지털로 변환하는 과정이 포함됩니다. 아날로그 신호는 음성 디지털화의 펄스 코드 변조 (PCM, Pulse Coding Modulation) 기술을 구현하기 위해 샘플링, 양자화 및 코딩의 세 가지 프로세스를 거쳐야합니다.
변환 과정
3.1.1 샘플링
샘플링은 신호 대역폭 (Lequist Sampling Theorem)의 2 배 이상의 주파수에서 아날로그 신호에서 샘플 (샘플링 속도)을 추출하여 시간 축에서 이산 샘플링 신호로 변환하는 프로세스입니다.
샘플링 속도 : 이산 신호를 형성하기 위해 초당 연속 신호에서 추출 된 샘플 수로 헤르츠 (Hz)로 표시됩니다.
견본:
예를 들어 오디오 신호 샘플링 속도는 8000hz입니다.
위 그림의 샘플은 1 초 동안 그림에서 시간에 따른 전압 변화 곡선에 해당하는 것을 알 수 있습니다. 그 다음에는 1 2 3… 10 지점이 1 ~ 8000 점이어야하므로 1 두 번째는 8000 개의 부분으로 나누어 진 다음 차례로 꺼내어 그 8000 포인트 시간에 해당하는 전압 값입니다.
3.1.2 정량화
샘플링 된 신호는 시간 축의 개별 신호이지만 여전히 아날로그 신호이며 샘플 값은 특정 값 범위 내에서 무한한 수의 값을 가질 수 있습니다. 특정 값 범위 내의 샘플 값이 무한한 값에서 유한 한 수의 값으로 변경되도록 샘플 값을 "반올림"하려면 "반올림"방법을 채택해야합니다.이 프로세스를 호출합니다. 부량.
샘플링 비트 수 : 디지털 신호를 설명하는 데 사용되는 비트 수를 나타냅니다.
8 비트 (8 비트)는 2의 8 승 = 256, 16 비트 (16 비트)는 2의 16 승 = 65536을 나타냅니다.
견본:
예를 들어 오디오 센서가 수집하는 전압 범위는 0-3.3V이고 샘플링 수는 8 비트 (비트)입니다.
즉, 3.3V / 2 ^ 8 = 0.0128을 양자화 정확도로 간주합니다.
그림 3.3과 같이 스테핑 Y 축으로 0.0128v를 3로 나눕니다. 1 2… 8은 0이됩니다. 0.0128 0.0256… 3.3V
예를 들어 샘플링 포인트의 전압 값은 1.652V (1280.128에서 1290.128 사이)입니다. 1.65V로 반올림하고 해당 양자화 레벨은 128입니다.
3.1.3 인코딩
양자화 된 샘플링 신호는 샘플링 시퀀스에 따라 배열 된 일련의 십진 디지털 코드 스트림, 즉 십진 디지털 신호로 변환됩니다. 간단하고 효율적인 데이터 시스템은 이진 코드 시스템입니다. 따라서 XNUMX 진수 디지털 코드는 바이너리 코드로 변환되어야합니다. 십진 디지털 코드의 총 수에 따라 바이너리 코딩에 필요한 비트 수, 즉 워드 길이 (샘플링 비트 수)를 결정할 수 있습니다. 양자화 된 샘플 신호를 주어진 단어 길이의 이진 코드 스트림으로 변환하는이 프로세스를 인코딩이라고합니다.
견본:
그러면 위의 1.65V는 128의 양자화 레벨에 해당합니다. 해당 바이너리 시스템은 10000000입니다. 즉, 샘플링 포인트를 인코딩 한 결과는 10000000입니다. 물론 이것은 양의 값과 음의 값을 고려하지 않은 인코딩 방법입니다. , 특정 문제에 대한 특정 분석이 필요한 여러 유형의 인코딩 방법이 있습니다. (PCM 오디오 형식 인코딩은 A-law 13 폴리 라인 인코딩입니다)
3.2 PCM 오디오 코딩
PCM 신호는 인코딩 및 압축 (무손실 압축)을 거치지 않았습니다. 아날로그 신호에 비해 전송 시스템의 혼란과 왜곡에 쉽게 영향을받지 않습니다. 다이나믹 레인지가 넓고 음질이 꽤 좋습니다.
3.2.1 PCM 인코딩
사용 된 코딩은 A-law 13 폴리 라인 코딩입니다.
자세한 내용은 PCM 음성 코딩을 참조하십시오.
3.2.2 채널
채널은 모노와 스테레오 (듀얼 채널)로 나눌 수 있습니다.
PCM의 각 샘플 값은 정수 i에 포함되며 i의 길이는 지정된 샘플 길이를 수용하는 데 필요한 최소 바이트 수입니다.
샘플 크기 데이터 형식 최소값 최대 값
8 비트 PCM unsigned int 0
16 비트 PCM int -32767 32767
모노 사운드 파일의 경우 샘플링 데이터는 8 비트 짧은 정수 (short int 00H-FFH)이며 샘플링 데이터는 시간순으로 저장됩니다.
16 채널 스테레오 사운드 파일, 각 샘플링 데이터는 XNUMX 비트 정수 (int), 상위 XNUMX 비트 (왼쪽 채널) 및 하위 XNUMX 비트 (오른쪽 채널)는 각각 XNUMX 개 채널을 나타내며 샘플링 데이터는 시간순입니다. 다른 순서로 입금하십시오.
샘플링 비트 수가 16 비트이고 스토리지가 바이트 순서와 관련된 경우에도 마찬가지입니다.
PCM 데이터 형식
모든 네트워크 프로토콜은 빅 엔디안 방식을 사용하여 데이터를 전송합니다. 따라서 빅 엔디안 방법을 네트워크 바이트 순서라고도합니다. 바이트 순서가 다른 두 호스트가 통신 할 때 데이터를 전송하기 전에 네트워크 바이트 순서로 변환해야합니다.
4 지.711
일반적인 PCM에서 아날로그 신호는 디지털화되기 전에 일부 처리 (예 : 진폭 압축)를 거칩니다. 디지털화되면 PCM 신호는 일반적으로 추가로 처리됩니다 (예 : 디지털 데이터 압축).
G.711은 표준 멀티미디어 디지털 신호 (압축 / 압축 해제) 알고리즘으로ITU-T에서 펄스 코드를 변조합니다. 특히 오디오 신호의 경우 아날로그 신호를 디지털화하는 샘플링 기술입니다. PCM은 신호를 초당 8000 번 8KHz로 샘플링합니다. 각 샘플은 8 비트, 총 64Kbps (DS0)입니다. 샘플링 수준 코딩에는 두 가지 표준이 있습니다. 북미와 일본은 Mu-Law 표준을 사용하고 대부분의 다른 국가에서는 A-Law 표준을 사용합니다.
A-law와 u-law는 PCM의 두 가지 인코딩 방법입니다. A-law PCM은 유럽과 우리 나라에서 사용되며 Mu-law는 북미와 일본에서 사용됩니다. 둘의 차이점은 양자화 방법입니다. A 법칙은 12 비트 양자화를 사용하고 u 법칙은 13 비트 양자화를 사용합니다. 샘플링 주파수는 8KHz이며 둘 다 8 비트 인코딩 방법입니다.
간단한 이해 : PCM은 오디오 장비에서 수집 한 원본 오디오 데이터입니다. G.711과 AAC는 PCM 데이터를 특정 비율로 압축하여 네트워크 전송 대역폭을 절약 할 수있는 두 가지 다른 알고리즘입니다.
우리의 다른 제품 :
