音频处理——详解PCM数据格式

随笔1个月前发布珊

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Reference:

音频处理——详解PCM数据格式

参考文章中的补充

Question1:

为什么音频需要编码
和图像压缩原理对比
数字音频信号如果不加压缩地直接进行传送，将会占用极大的带宽。
例如，一套双声道数字音频若取样频率为44.1KHz，16bit量化，码率为

2 x 44.1kHz x 16bit = 1.411Mbit/s

如此大的带宽将给信号的传输和处理都带来许多困呐和成本(阿里云服务器带宽大于5M后，没M价格是100元/月)
因此必须采取音频压缩技术对音频数据进行处理，才能有效地传输音频数据
解释一下这段话里的名词：带宽，双声道，码率

这段话中提到了一些关键的音频和传输技术术语，理解这些术语有助于更好地理解音频编码和压缩的必要性。以下是这些术语的解释：

Answer1:

带宽（Bandwidth）

定义：带宽是指在一定时间内传输数据的最大能力，通常以每秒传输的比特数（bit/s, bps）来表示。在网络传输中，带宽是衡量网络传输速度和容量的重要指标。
举例：如果带宽是1.411 Mbit/s，这意味着每秒可以传输1.411百万比特的数据。更高的带宽可以支持更快的数据传输速度，但通常也会带来更高的成本。

双声道（Stereo）

定义：双声道音频是指使用两个独立的声道来创建声音的空间效果，通常用于左耳和右耳。它与单声道（mono）不同，单声道只使用一个声道来传输音频。
举例：在双声道音频中，两个声道分别记录和传输声音，提供更丰富和真实的听觉体验，如音乐、电影等。

码率（Bitrate）

定义：码率是指单位时间内传输的比特数，通常用kbps（千比特每秒）或Mbps（兆比特每秒）表示。在音频和视频中，码率是衡量数据压缩和传输速度的重要参数。
计算：在给定的示例中，双声道音频的码率计算如下：
[
ext{码率} = 2 ext{（声道）} imes 44.1 ext{（kHz）} imes 16 ext{（bit）} = 1.411 ext{Mbit/s}
]
这意味着每秒钟需要传输1.411百万比特的数据。

音频编码和压缩的必要性

未经压缩的音频数据量非常大，导致传输和存储都需要高带宽和大量空间。例如，CD质量的音频（44.1 kHz取样频率，16 bit量化，双声道）码率为1.411 Mbit/s。如果不进行压缩，传输这种高码率的音频会非常耗费带宽和成本。

音频压缩技术

通过音频压缩技术，如MP3、AAC等，可以大幅减少音频数据量，降低带宽需求，同时尽可能保留原始音频的质量。这些技术通过去除冗余和不重要的音频信息，优化传输和存储效率。

图像压缩的对比

图像压缩和音频压缩在原理上有相似之处，都是通过减少数据量来实现更高效的传输和存储。图像压缩如JPEG、PNG等，通过去除冗余信息和不可感知的细节来压缩数据量。虽然具体方法不同，但音频和图像压缩都依赖于人类感官的特性，通过去除感知不到的信息来实现高效压缩。

总结：

带宽是传输数据的能力，越大带宽越高的传输速度。
双声道音频使用两个声道提供更丰富的音频体验。
码率是单位时间内传输的数据量，影响传输和存储的效率。
音频压缩通过减少数据量来降低带宽需求和成本，类似于图像压缩的原理。

Question2:

带宽和码率有什么关系？

Answer2:

带宽和码率是密切相关的概念，但它们有不同的应用和含义：

带宽（Bandwidth）

定义：带宽通常指的是一个信道或网络在单位时间内可以传输的最大数据量。带宽是一个容量指标，表示数据传输的速率上限。
单位：带宽通常以比特每秒（bps）、千比特每秒（kbps）、兆比特每秒（Mbps）或千兆比特每秒（Gbps）来表示。
应用：带宽描述的是网络或通信通道的容量。例如，互联网服务提供商（ISP）会提供一定带宽的网络连接，如100 Mbps的宽带服务，表示每秒可以传输100兆比特的数据。

码率（Bitrate）

定义：码率指的是编码后数据流的速率，即单位时间内传输的数据量。码率是一个实际传输的数据速率指标，尤其在音频和视频流媒体中常用。
单位：码率也以比特每秒（bps）、千比特每秒（kbps）、兆比特每秒（Mbps）来表示。
应用：码率描述的是实际传输或存储数据的速率。例如，一个视频文件可能有5 Mbps的码率，表示每秒钟需要传输或存储5兆比特的数据。

带宽与码率的关系

直接关系：带宽决定了网络或通信通道能够支持的最高码率。例如，如果带宽是10 Mbps，那么这个通道能够支持的最大码率就是10 Mbps，超出这个速率的数据无法在该通道上实时传输。

实际应用中的差异：

带宽是潜力：带宽表示的是网络或通道的最大容量。
码率是实际使用：码率表示的是实际传输的数据速率。

匹配：为了确保无损数据传输，码率必须小于或等于带宽。如果一个视频流的码率是8 Mbps，而网络带宽只有5 Mbps，那么传输就会出现瓶颈，导致缓冲或质量下降。

多用户环境：在共享网络带宽的环境中，总码率不能超过总带宽。例如，一个家庭网络带宽为50 Mbps，如果同时有五个设备在传输视频，每个视频流的码率必须保持在10 Mbps以下才能保证流畅播放。

举例说明

假设你有一个50 Mbps的宽带连接（带宽），你在观看一个码率为5 Mbps的视频流：

单一连接：带宽（50 Mbps）远大于码率（5 Mbps），因此你可以流畅观看视频。
多连接：如果有10个设备同时观看5 Mbps的视频流，总码率是50 Mbps，正好等于带宽，这时每个设备都能流畅观看视频。如果有超过10个设备，可能会导致每个设备的实际码率低于5 Mbps，影响观看体验。