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pcm是什么文件

青灯夜游
发布: 2023-03-10 16:52:45
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pcm是一种多媒体音频文件,被广泛用于素材保存及音乐欣赏;pcm文件能够一边读一边播放,而不需要把这个文件全部读出后然后回放,这样就可以做到不用下载 就可以实现收听了。pcm被称为脉码编码调制,pcm中的声音数据没有被压缩,它是由模拟信号经过采样、量化、编码转换成的标准的数字音频数据。

pcm是什么文件

本教程操作环境:windows7系统、Dell G3电脑。 

一、名词解析

PCM(Pulse Code Modulation)也被称为脉码编码调制,PCM中的声音数据没有被压缩,它是由模拟信号经过采样、量化、编码转换成的标准的数字音频数据。采样转换方式参考下图进行了解:

1.png

音频采样包含以下几大要素:

1. 采样率

采样率表示音频信号每秒的数字快照数。该速率决定了音频文件的频率范围。采样率越高,数字波形的形状越接近原始模拟波形。低采样率会限制可录制的频率范围,这可导致录音表现原始声音的效果不佳。根据奈奎斯特采样定理,为了重现给定频率,采样率必须至少是该频率的两倍。例如,一般CD唱片的采样率为每秒 44,100 个采样,因此可重现最高为 22,050 Hz 的频率,此频率刚好超过人类的听力极限 20,000 Hz。

2.png 

图中A是低采样率的音频信号,其效果已经将原始声波进行了扭曲,B则是完全重现原始声波的高采样率的音频信号。

数字音频常用的采样率如下:

3.png

2. 位深度 

位深度决定动态范围。采样声波时,为每个采样指定最接近原始声波振幅的振幅值。较高的位深度可提供更多可能的振幅值,产生更大的动态范围、更低的噪声基准和更高的保真度。

4.png

位深度越高,提供的动态范围越大。 

二、PCM

在上面的名词解析中我们应该对PCM有了一定的理解和认识,下面我们将对PCM做更多的讲解。

PCM文件具有流媒体特性,是数字通信的编码方式之一。

PCM文件被广泛用于素材保存及音乐欣赏,CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用,PCM文件能够一边读一边播放,而不需要把这个文件全部读出后然后回放,这样就可以做到不用下载 就可以实现收听了。

1. PCM音频数据存储方式

如果是单声道的文件,采样数据按时间的先后顺序依次存入。如果是单声道的音频文件,采样数据按时间的先后顺序依次存入(也可能采用 LRLRLR 方式存储,只是另一个声道的数据为 0)。

如果是双声道的话通常按照 LRLRLR 的方式存储,存储的时候还和机器的大小端有关。

PCM的存储方式为小端模式,存储Data数据排列如下图所示:

5.png

2. PCM 音频数据的参数

描述 PCM 音频数据的参数的时候有如下描述方式:

44100HZ 16bit stereo: 每秒钟有 44100 次采样, 采样数据用 16 位(2 字节)记录, 双声道(立体声)
22050HZ 8bit  mono: 每秒钟有 22050 次采样, 采样数据用 8 位(1 字节)记录, 单声道
48000HZ 32bit 51ch: 每秒钟有 48000 次采样, 采样数据用 32 位(4 字节浮点型)记录, 5.1 声道
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44100Hz 指的是采样率,它的意思是每秒取样 44100 次。采样率越大,存储数字音频所占的空间就越大。

16bit 指的是采样精度,意思是原始模拟信号被采样后,每一个采样点在计算机中用 16 位(两个字节)来表示。采样精度越高越能精细地表示模拟信号的差异。

Stereo 指的是声道数,也即采样时用到的麦克风的数量,麦克风越多就越能还原真实的采样环境(当然麦克风的放置位置也是有规定的)。

3. PCM文件格式简介

 PCM文件:模拟音频信号经模数转换(A/D变换)直接形成的二进制序列,该文件没有附加的文件头和文件结束标志。Windows的Convert工具可以把PCM音频格式的文件转换成Microsoft的WAV格式的文件。    

 将音频数字化,其实就是将声音数字化。最常见的方式是透过脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation) 。运作原理如下:首先我们考虑声音经过麦克风,转换成一连串电压变化的信号,如下图所示。这张图的横座标为秒,纵座标为电压大小。要将这样的信号转为 PCM 格式的方法,是使用三个参数来表示声音,它们是:声道数、采样位数和采样频率。

6.png

  • 采样频率:即取样频率,指每秒钟取得声音样本的次数。采样频率越高,声音的质量也就越好,声音的还原也就越真实,但同时它占的资源比较多。由于人耳的分辨率很有限,太高的频率并不能分辨出来。在16位声卡中有22KHz、44KHz等几级,其中,22KHz相当于普通FM广播的音质,44KHz已相当于CD音质了,目前的常用采样频率都不超过48KHz。 

  • 采样位数:即采样值或取样值(就是将采样样本幅度量化)。它是用来衡量声音波动变化的一个参数,也可以说是声卡的分辨率。它的数值越大,分辨率也就越高,所发出声音的能力越强。

  • 声道数:很好理解,有单声道和立体声之分,单声道的声音只能使用一个喇叭发声(有的也处理成两个喇叭输出同一个声道的声音),立体声的PCM 可以使两个喇叭都发声(一般左右声道有分工) ,更能感受到空间效果。 

下面再用图解来看看采样位数和采样频率的概念。让我们来看看这几幅图。图中的黑色曲线表示的是PCM 文件录制的自然界的声波,红色曲线表示的是PCM 文件输出的声波,横坐标便是采样频率;纵坐标便是采样位数。这几幅图中的格子从左到右,逐渐加密,先是加大横坐标的密度,然后加大纵坐标的密度。显然,当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小,则越有利于保持原始声音的真实情况,换句话说,采样的频率越大则音质越有保证;同理,当纵坐标的单位越小则越有利于音质的提高,即采样的位数越大越好。

7.png

在计算机中采样位数一般有8位和16位之分,但有一点请大家注意,8位不是说把纵坐标分成8份,而是分成2的8次方即256份; 同理16位是把纵坐标分成2的16次方65536份; 而采样频率一般有11025HZ(11KHz),22050HZ(22KHz)、44100Hz(44KHz)三种。

8.png

那么,现在我们就可以得到PCM文件所占容量的公式:存储量 = (采样频率*采样位数*声道)*时间/8(单位:字节数).

 例如,数字激光唱盘(CD-DA,红皮书标准)的标准采样频率为44.lkHz,采样数位为16位,立体声(2声道),可以几乎无失真地播出频率高达22kHz的声音,这也是人类所能听到的最高频率声音。激光唱盘一分钟音乐需要的存储量为:     

(44.1*1000*l6*2)*60/8=10,584,000(字节)=10.584MBytes
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这个数值就是PCM声音文件在硬盘中所占磁盘空间的存储量。

 计算机音频文件的格式决定了其声音的品质,日常生活中电话、收音机等均为模拟音频信号,即不存在采样频率和采样位数的概念,我们可以这样比较一下:

  • 44KHz,16BIT的声音称作:CD音质;

  • 22KHz、16Bit的声音效果近似于立体声(FM Stereo)广播,称作:广播音质;

  • 11kHz、8Bit的声音,称作:电话音质。 

微软的WAV文件就是PCM编码的一种。

扩展知识:与PCM文件相关的其他文件类型

延期 文件类型开发人员 文件类别 文件类型描述
.SMI Apple 磁盘映像文件 Self-Mounting Disk Image
.AC3 Various Developers 音频文件 Audio Codec 3 File
.DV Roxio 视频文件 Digital Video File
.YUV WinXMedia Software 视频文件 YUV Video File
.MJP2 Open Source 视频文件 Motion JPEG 2000 Video
.MP4V Moving Picture Experts Group 视频文件 MPEG-4 Video File
.MP4 Moving Picture Experts Group 视频文件 MPEG-4 Video File
.IVF Intel Corporation 视频文件 Indeo Video Format File
.IFV Intel Corporation 视频文件 Indeo Video Format File
.3GPP Various Developers 视频文件 3GPP Media File

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