PCM原始音频数据格式介绍

一什么是PCM

PCM全称Pulse-Code Modulation，翻译一下是脉冲调制编码。在音视频中，PCM是一种用数字表示采样模拟信号的方法。要将一段音频模拟信号转换为数字表示，包含如下三个步骤：

Sampling(采样)
Quantization(量化)
Coding(编码)

通常，我们可以通过一条曲线在坐标中显示连续的模拟信号，如下图所示：

为了更容易理解PCM，取其中一段来说明。

假设这表示一段一秒的音频模拟信号。

二 Sampling（采样）

Sampling(采样)处理，实际上就是让采样数据能够完全表示原始信号，且采样数据能够通过重构还原成原始信号的过程，如上图。
将采样后的图拿出来单独解释

红色曲线：表示原始信号。
蓝色垂直线段：表示当前时间点对原始信号的一次采样。采样是一系列基于振幅（amplitude和相同时间间隔的样本。这也是为什么采样过程被称为PAM的原因。
PAM：（Pulse Amplitude Modulation)是一系列离散样本之的结果

采样率(Sample rate)
每秒钟的样本数也被称之为采样率（Sample rate）。在Sampling图示案例中，采样率为每秒34次。意味着在一秒的时间内，原始信号被采样了34次（也就是蓝色垂直线段的数量）。

通常，采样率的单位用Hz表示，例如1Hz表示每秒钟对原始信号采样一次，1KHz表示每秒钟采样1000次。1MHz表示每秒钟采样1百万次。

根据场景的不同，采样率也有所不同，采样率越高，声音的还原程度越高，质量就越好，同时占用空间会变大。

例如：通话时的采样率为8KHz，常用的媒体采样率有44KHz，对于一些蓝光影片采样率高达1MHz。

三 Quantization（量化）

原始信号采样后，需要通过量化来描述采样数据的大小。如图：

量化处理过程，就是将时间连续的信号，处理成时间离散的信号，并用实数表示。这些实数将被转换为二进制数用于模拟信号的存储和传输。

在图例中，如果说采样是画垂直线段的话，那么量化就是画水平线，用于衡量每次采样的数字指标。如图

图中，每条横线表示一个等级（level）。

为了更好的描述量化过程，先来介绍一下bit-depth（位深）：用来描述存储数字信号值的bit数。较常用的模拟信号位深有：

8-bit：2^8 = 256 levels，有256个等级可以用于衡量真实的模拟信号。 16-bit：2^16 = 65,536
levels，有65,536个等级可以用于衡量真实的模拟信号。 24-bit：2^24 = 16,666,216
levels，有16,666,216个等级可以用于衡量真实的模拟信号。

显而易见，位深越大，对模拟信号的描述将越真实，对声音的描述更加准确。

在当前例子中，如果用为8-bit位深来描述的话，就如下图所示：

化的过程就是将一个平顶样本四舍五入到一个可用最近level描述的过程。如图中黑色加粗梯形折线。量化过程中，我们将尽量让每个采样和一个level匹配，因为每个level都是表示一个bit值。

图中，第9次采样的平顶样本对应的level用十进制表示为255，也就是二进制的1111 1111。

四 Encoding（编码）

在编码这一步，我们会将时间线上的每个sample数据转化为对应的二进制数据。

采样数据经过编码后产生的二进制数据，就是PCM数据。PCM数据可以直接存储在介质上，也可以在经过编解码处理后进行存储或传输。

五 PCM数据常用量化指标

采样率(Sample rate)：每秒钟采样多少次，以Hz为单位。详见：**采样率(Sample rate)**一节。
位深度(Bit-depth)：表示用多少个二进制位来描述采样数据，一般为16bit。详见：**Quantization(量化)**一节。
字节序：表示音频PCM数据存储的字节序是大端存储（big-endian）还是小端存储（little-endian），为了数据处理效率的高效，通常为小端存储。
声道数（channel
number）：当前PCM文件中包含的声道数，是单声道（mono）、双声道（stereo）？此外还有5.1声道等。
采样数据是否有符号（Sign）：要表达的就是字面上的意思，需要注意的是，使用有符号的采样数据不能用无符号的方式播放。

以FFmpeg中常见的PCM数据格式s16le为例：它描述的是有符号16位小端PCM数据。s表示有符号，16表示位深，le表示小端存储。

六原文链接

PCM原始音频数据格式介绍