前言

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DAC）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）是音頻技術(shù)中非常重要的兩個概念，它們在數(shù)字音頻設(shè)備和系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用。這兩種轉(zhuǎn)換技術(shù)確保了模擬信號和數(shù)字信號之間的互轉(zhuǎn)，使得音頻信號可以在不同的媒體和設(shè)備間有效傳輸和處理。

1.模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換是將模擬信號（連續(xù)信號）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（離散信號）的過程。在音頻應(yīng)用中，這意味著將捕捉到的聲音（例如通過麥克風(fēng)）轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式，以便于存儲、編輯或處理。

一段原始的聲音波形例子如下：

1.1ADC的關(guān)鍵步驟：

采樣：測量模擬信號的振幅值，在特定的時間間隔內(nèi)進行。這個時間間隔稱為采樣間隔，其倒數(shù)為采樣率。例如，CD音質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)采樣率為44.1 kHz，即每秒采樣44100次。

量化：將每次采樣得到的模擬值轉(zhuǎn)換為最接近的數(shù)字值。這個過程涉及到將連續(xù)的振幅值映射到有限的數(shù)字級別上。量化的精度通常由位深度（比特率）決定，例如16位、24位等。位深度指的是用于記錄聲音采樣值的比特數(shù)。位深度越高，可以表示的聲音振幅級別就越多，從而可以更精確地復(fù)制錄音的動態(tài)范圍和細節(jié)。以下是一些常見的位深度示例及其含義：

• 16位：這是CD音質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)位深度，它可以提供約96 dB的動態(tài)范圍。16位系統(tǒng)可以表示 216=65536216=65536 不同的振幅級別。
• 24位：這是專業(yè)音頻工作的常用位深度，可以提供約144 dB的動態(tài)范圍，使其能夠記錄更細微的音量變化。24位系統(tǒng)可以表示 224=16777216224=16777216 不同的振幅級別。
  

量化后的數(shù)字信息如下：

編碼：將量化后的值轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)碼，形成數(shù)字信號。

ADC 的輸出是數(shù)字信號，這意味著原始的連續(xù)模擬信號被轉(zhuǎn)換為一系列離散的數(shù)字值。這些數(shù)字值可以用于數(shù)字處理、存儲或其他數(shù)字應(yīng)用。

2.數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換（DAC）

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬信號的過程。這一步驟在播放數(shù)字音頻文件時尤為關(guān)鍵，如在數(shù)字音樂播放器、計算機或智能手機中。

2.1DAC 的基本流程包括：

1. 解碼：將存儲的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（通常為二進制形式）解碼成數(shù)字量化值。
2. 重構(gòu)：通過插值算法處理這些量化值，重構(gòu)出原始的模擬波形。在這一過程中，可能會使用各種濾波技術(shù)來平滑輸出信號，減少所謂的“階梯效應(yīng)”（由量化步驟產(chǎn)生的不連續(xù)變化）。
3. 放大：將重構(gòu)后的模擬信號放大，以適合后續(xù)的播放硬件（如揚聲器或耳機）。

如將上圖的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，

3.PCM數(shù)據(jù)

PCM（Pulse Code Modulation，脈沖編碼調(diào)制）是一種用于數(shù)字化模擬信號的技術(shù)，例如聲音。在音頻技術(shù)中，PCM是將聲音等模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的標(biāo)準(zhǔn)格式。這種格式通過對模擬信號進行采樣、量化和編碼來生成數(shù)字音頻數(shù)據(jù)。PCM 數(shù)據(jù)提供了一種非常純凈和精確的方式來存儲聲音，但由于其數(shù)據(jù)量大，通常需要更多的存儲空間和帶寬。

3.1PCM 數(shù)據(jù)的關(guān)鍵要素包括：

1. 采樣率（Sampling Rate）：
   • 這是每秒鐘采集模擬信號樣本的次數(shù)，表示為赫茲（Hz）。常見的采樣率有 44100 Hz（CD質(zhì)量）、48000 Hz（專業(yè)視頻和音頻應(yīng)用）、96000 Hz 或更高（高分辨率音頻）。
2. 位深度（Bit Depth）：
   • 位深度決定了每個樣本的音頻分辨率，即每個采樣的數(shù)據(jù)大小。常見的位深度有 16位（CD音質(zhì)）、24位（專業(yè)音頻）。位深度越高，可以記錄的動態(tài)范圍越廣，音質(zhì)越細膩。
3. 聲道數(shù)（Channels）：
   • 聲道數(shù)指的是音頻流中的獨立音頻信號數(shù)量，例如單聲道、立體聲（兩個聲道），或多聲道（如5.1環(huán)繞聲系統(tǒng)使用的六個聲道）。

4.WAV文件

WAV（或波形音頻文件格式）是一種無損的音頻文件格式，由微軟和IBM共同開發(fā)，主要用于Windows操作系統(tǒng)。它通常被用于存儲未壓縮的音頻數(shù)據(jù)，這使得它成為專業(yè)音頻編輯和處理中非常受歡迎的格式。因為音頻數(shù)據(jù)未經(jīng)壓縮，所以WAV文件通常比MP3或其他壓縮格式的文件大得多。

4.1 WAV的構(gòu)成

WAV文件主要由以下幾個部分構(gòu)成：

1. RIFF Header（資源交換文件格式頭）:
   • WAV文件以“RIFF”標(biāo)記作為文件的開始。這個標(biāo)頭指明了文件是一個資源交換文件格式，并包含了整個文件的大小。
2. WAVE Header（WAVE頭）:
   • 緊接著RIFF頭的是“WAVE”標(biāo)記，它表明這是一個WAVE類型的數(shù)據(jù)文件。
3. Format Chunk（格式塊）:
   • 這是WAV文件中最重要的部分之一，它包含了有關(guān)音頻數(shù)據(jù)格式的詳細信息，如聲道數(shù)（單聲道或立體聲）、采樣率、位深度（每個樣本的位數(shù)），以及每秒的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。
4. Data Chunk（數(shù)據(jù)塊）:
   • 數(shù)據(jù)塊包含了實際的音頻采樣數(shù)據(jù)。這個部分的大小取決于錄音的長度和質(zhì)量。每個采樣點的數(shù)據(jù)通常以小端格式存儲（在x86架構(gòu)的計算機上）。

4.2WAV文件的標(biāo)準(zhǔn)塊結(jié)構(gòu)

• RIFF Header: RIFF[大小]WAVE
• Format Chunk: fmt [大小][格式類型][通道數(shù)][采樣率][字節(jié)率][塊對齊][位深度]
• Data Chunk: data[大小][音頻采樣數(shù)據(jù)]

4.3WAV的使用場景

WAV格式由于其無損的特性，廣泛用于：

• 專業(yè)音頻錄制與編輯：在音樂制作和廣播中，WAV格式因為其高保真度而被頻繁使用。
• 音頻分析：科研和工程應(yīng)用中，需要對原始音頻數(shù)據(jù)進行精確分析時，通常會使用WAV格式。
• 系統(tǒng)音效：在Windows操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)音效通常以WAV格式存儲。

5.PCM與WAV的關(guān)系

• PCM 是音頻數(shù)據(jù)編碼的一種方式，而WAV 是一種文件格式，通常用來存儲PCM編碼的音頻數(shù)據(jù)。
• WAV 文件通常包含PCM數(shù)據(jù)，但WAV格式的靈活性也允許它包含壓縮音頻，如MP3編碼的音頻。然而，在實際應(yīng)用中，WAV文件大多數(shù)情況下確實是用來存儲PCM數(shù)據(jù)。
• 由于WAV文件包含詳細的頭信息（采樣率、位深度、聲道等），它們比原始的PCM數(shù)據(jù)文件更易于在不同的播放設(shè)備和程序之間移植和使用。