数字音频技术的应用

我们正身处一个数字化时代，大到演唱会音响系统、音乐创作系统、家庭影院系统，小到手机、MP3等，数字化音频设备在人们的生产和生活中发挥的作用越来越大，数字音频技术的应用范围也越来越大，覆盖了数字广播、音乐制作、影视游戏配乐、个人和家庭娱乐等各个方面。上一节中，通过实例学习了自己录音合成歌曲的初级操作，下面简单介绍数字音频技术在电子合成音乐和手机铃声制作两个方面的应用。

1.电子合成音乐

电子合成音乐应用的是MIDI技术。MIDI是在计算机和电子乐器之间进行通信的一种标准协议，它不仅定义了计算机音乐程序、音乐合成器及其他电子音乐设备交换音乐信号的方式，还规定了不同厂家的电子乐器与电脑连接的电缆和硬件及设备间数据传输的协议，可用于为不同乐器创建数字声音。MIDI本身并不能发出声音，它是一个协议，只包含用于产生特定声音的指令，而这些指令包括调用何种MIDI设备的音色、声音的强弱及持续的时间等。它把电子乐器的弹奏过程记录下来，在播放乐曲的时候，记录的乐谱指令通过音乐合成器生成音乐声波，声波经放大后由扬声器播放出来，其处理过程如图3-19所示。

图3-19 MIDI音频处理过程

计算机中的声卡都有MIDI接口，它通过MIDI电缆与MIDI乐器相连，来采集MIDI乐器演奏的MIDI指令。音序器（Sequencer）的作用是记录、编辑和播放由MIDI指令构成的MIDI文件，它通常是一个软件，比如前面介绍过的Sonar等。音乐合成器是声卡上的一个部件，一些电子乐器也有专用的内部MIDI合成器，它可以将MIDI信息转换成模拟信号的波形，再送到扬声器播放出来，于是就产生了声音效果。

MIDI音乐合成的方法有很多，现在用得最多的方法有两种：一种是FM（Frequency Modulation）合成法，另一种是乐音样本合成法，也称为波表（Wavetable）合成法。

（1）FM合成法

20世纪80年代初，美国斯坦福大学的研究生John Chowning发明了一种产生乐音的新方法，这就是数字式频率调制合成法，也称为FM合成法。这种合成方法的原理是用数字信号来表示几种乐音的波形，然后用计算机把它们组合起来，再通过数/模转换器（DAC）生成乐音。不同乐音的产生是通过组合各种波形和波形参数，并采用各种不同的方法实现的。斯坦福大学把专利授权给Yamaha公司，该公司把这项技术做在集成电路芯片中，使其成为市场上的热门产品。FM合成法的发明使得合成音乐领域发生了一次革命。

（2）波表合成法

使用FM合成法来产生各种逼真的乐音是相当困难的，有些乐音甚至不能通过FM合成法产生。为了能够真实地再现乐音，目前，大部分声卡使用最多的是乐音样本合成法，即波表合成法。这种方法是将每种真实乐器发出的声音进行采样，加以适当的处理后存储成声音样本（音色文件），记录在合成器的内存当中。当需要这些乐音时，调用相应样本并通过改变播放速度来改变音频周期，生成该乐器的各种音节的音符。

2.手机铃声

随着手机的日益普及，人们对它的要求也越来越高，手机已不只是人们的通信手段，它同时也成为人们个性的体现，同样，手机铃声也成为人们尤其是年轻人彰显个性的一个方面。在这样的需求以及数字音频技术迅速发展的背景下，各种不同格式的手机铃声如雨后春笋般涌现出来，各种手机铃声下载业务在全球大受欢迎，而手机制造商则不断更新可下载铃声的手机的性能，以支持多种多样音效的铃声下载。短短数年，各类手机铃声技术日新月异，发展极其迅猛。

目前，比较流行的手机铃声有MP3铃声、和弦铃声、MIDI铃声、WAV铃声等。由于MIDI是所有铃声格式制作的基础，所以相当大一部分的手机采用或兼容MIDI格式。后来手机厂商逐渐开始采用YAMAHA公司的芯片，手机“发烧友”们开始中意于“真人真唱”铃声，所以MMF格式的铃声也占据了一部分份额。随着手机铃声的不断发展，MMF播放时间短的弊端慢慢开始显露（一般最长十几秒），诺基亚、索尼、爱立信等手机行业的“巨头”推出了新一款的真人真唱格式“AMR”，这种格式的手机铃声播放时间长，但音质相对较差。手机铃声发展到现在，MMF、AMR、MP3、WAV文件格式铃声已经逐渐成为主流格式。

MMF格式也称为SMAF（Synthetic music Mobile Application Format）格式，是YAMAHA公司推出的一种现在比较常见的手机铃声格式。和MIDI铃声一样，MMF也分各种和弦数。国内常见有MA2（16和弦）、MA3（40和弦）、MA5（64和弦）三种。在MA-3所支持的40个复音中，有32个是用FM合成器合成的，其余8个是用波表合成的，这使它的表现力有了质的飞跃。MMF格式包容性极大，可以支持不同的手机配置，分别支持和弦、波形、语音合成等内容。因为采用了专门的铃声芯片，MMF和弦铃声音色饱满，表现力比同样和弦数的MIDI铃声更好。MMF铃声音量大，可以逼真地表现人声、鸟鸣等模拟音效，这是MIDI所不能的；另外，MMF音乐文件较小，大约是相同曲目MIDI的2/3，用GPRS下载时更省钱。

目前，苹果手机一般采用m4r格式的手机铃声、m4a格式的音频Podcast和m4b格式的有声读物。其中，m4a是MPEG-4音频标准文件的扩展名，普通的MPEG-4文件扩展名是mp4，而Apple在i Tunes以及i Pod中使用m4a以区别于MPEG4的视频和音频文件；m4b格式是i Pod、i Phone以及i Pad上播放的“有声读物”的音频文件格式，它作为一种为“音频书籍”专门设计的格式，支持书签，允许书在任何时候暂停和恢复播放，因此也常用于podcasts（博客）。

其他常见的手机铃声格式还有WAV、MP3、WMA、AAC、MFM以及RMF等。