【正文】 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 1 第二章 聲音和語音編碼 2 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 本章主要內(nèi)容 1. 聲音概述 2. 聲音的數(shù)字化 3. 電子合成音樂 4. 語音編碼 5. 脈沖編碼調(diào)制（ PCM） 6. PCM應(yīng)用 7. 其它編碼方法 3 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音概述 1. 聲音 是一種連續(xù)的波，具有普通波的一切特性：反射、折射、衍射等。 ? 聲音信號是由許多頻率不同的信號組成 2. 聲波的分類（按 頻率 ） ? 次聲波 ( 0 ～ 20 Hz ) ? 聲波 (20 ～ 20 KHz) — 人類聽覺范圍 ? 超聲波 ( 20KHz ) — 強的方向性 ? 應(yīng)用： B超、探測儀、主動聲納 4 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音概述（續(xù)） 3. 聲音的幅度 1. 人類能夠感知的范圍是： 0～ 120dB之間 2. 超出 120dB人耳可能會感動疼痛 補充： 什么是 dB（分貝）數(shù)？ 5 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 什么是 dB（分貝）數(shù)？ ? 一種相對量單位，在專業(yè)音響設(shè)備的調(diào)節(jié)刻度上經(jīng)常會遇到，例如增益大小、衰減量、提升量、電平量等。 ? 其定義是： dB數(shù) =20lgA/B ? 但在功率級、聲強級及能量級中，其定義是： dB數(shù)=10lgA/B ? 式中， A是被比較的絕對量，例如電壓、電流等； B為比較的標準量。 ? 采用 dB數(shù)表示量值的優(yōu)點是縮小了數(shù)值大小，使量值表示更簡單更具體，使運算簡化。同時，對一些變化范圍很寬的物理量作圖表示或刻度與非常方便，一目了然。 6 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音概述（續(xù)） ?音寬與頻帶：頻帶寬度或稱為帶寬，它是描述組成復(fù)合信號的頻率范圍。 圖 聲音的頻帶 7 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 音頻信號的指標 一 . 頻帶寬度：音頻信號的頻帶越寬，所包含的音頻信號分量越豐富，音質(zhì)越好。 圖 聲音的頻帶寬度 8 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 音頻信號的指標 (續(xù) ) 二．動態(tài)范圍 : 動態(tài)范圍越大，信號強度的相對變化范圍越大，音響效果越好。 音質(zhì)效果 AM廣播 FM廣播 數(shù)字電話 CD－ DA 動態(tài)范圍（ dB） 40 60 50 100 動態(tài)范圍＝ 20 log（信號的最大強度 / 信號的最小強度） 單位： （ dB） 表 聲音的動態(tài)范圍 抑揚頓挫 9 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 音頻信號的指標 (續(xù) ) 三．信噪比：信噪比 SNR（ Signal to Noise Ratio）是有用信號與噪聲之比的簡稱。噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好 10 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 本章主要內(nèi)容 1. 聲音概述 2. 聲音的數(shù)字化 3. 電子合成音樂 4. 語音編碼 5. 脈沖編碼調(diào)制（ PCM） 6. PCM應(yīng)用 7. 其它編碼方法 11 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音的數(shù)字化 1. 模擬信號與數(shù)字信號 2. 聲音信號的數(shù)字化 3. 采樣頻率 4. 采樣精度 5. 聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率 12 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 模擬信號與數(shù)字信號 ?模擬信號 —— 時間上、幅度上均連續(xù)的 信號。 ?采樣 —— 在某一時刻對模擬信號的幅度進行測量，將其 時間上 離散化 ?量化 —— 將采樣得到的信號幅度的取值離散化。如采樣得到的幅度為 [0,255],一種離散化的方法是取值 {0,1,2,… ,255} ?采樣 和 量化 后得到的信號就是數(shù)字信號 13 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 模擬信號到數(shù)字信號 ? 為什么要從模擬信號過渡到數(shù)字信號？ 1. 以前聲音長途傳輸用電信號來模擬聲波，對電信號的處理，采用模擬電氣元件，受環(huán)境影響很大（溫度、電磁場干擾），難以糾錯。 2. 采用數(shù)字信號，采用數(shù)字信號處理器（ DSP）進行數(shù)學(xué)運算，受環(huán)境影響較小，可以實現(xiàn)容錯處理。 14 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 數(shù)字信號處理的優(yōu)點 1. 數(shù)字信號計算是一種精確的計算方法，不受時間和環(huán)境變化的影響； 2. 用數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)（模擬）原來的物理部件的功能相對比較容易 3. 可以通過改變數(shù)學(xué)運算的方法，實現(xiàn)不同的功能，而不需更換物理部件 (DSP)。即只需對 DSP編程。 15 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音信號的數(shù)字化 ? 聲音信號的數(shù)字化步驟： 1. 采樣 —— 得到一個個時間上離散的幅度值 2. 量化 —— 得到一個個離散的幅度值 ? 連續(xù) 時間的 離散化通過采樣，一般采用 均勻采樣 (uniform sampling) ? 連續(xù) 幅度的 離散化通過量化，可采用 線性量化 , 或 非線性量化 16 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音信號的數(shù)字化 (圖 ) 圖 聲音信號的數(shù)字化 17 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 采樣和量化 —— 示例 ? 如有一聲音信號，對其進行采樣和量化。 ? 量化表用 [1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8] ，四舍五入方法。 結(jié)果如下表 采樣序列 … 量化序列 2 2 4 … 5 18 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 ? 目前應(yīng)用較為廣泛的采樣方式 : 1. 奈奎斯特 (Nyquist)采樣 2. 正交采樣 3. 帶通采樣 4. SigmaDelta(∑－ △ )采樣等 19 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 聲音信號的數(shù)字化 ? 需要解決的兩個問題： 1. 采樣頻率 應(yīng)該是多少？ 2. 量化的 精度 ？ bps(bit per sample) 20 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 采樣頻率 ?采樣頻率是指一秒鐘內(nèi)采樣的次數(shù)。 ?奈奎斯特采樣定理 (Nyquist theory): ?如果對某一模擬信號進行采樣，則采樣后可還原的最高信號頻率只有采樣頻率的一半； ?或者說只要采樣頻率高于輸入信號最高頻率的兩倍，就能從采樣信號系列重構(gòu)原始信號。 21 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 采樣頻率 奈奎斯特采樣定理 : ?fs = 2 fmax －－ fs為采樣頻率， fmax為信號最高頻率 ?對聲音信號而言， fmax為聲音信號的最高頻率。 ?在實際應(yīng)用中，為了使前級抗混疊濾波器易于實現(xiàn)，提高輸入信號的信噪比，一般 fs取 fmax的。 22 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 采樣頻率 ?根據(jù) 斯特采樣定理 ， CD 激光唱盤采樣頻率為44KHz，可記錄的最高音頻為 22KHz，這樣的音質(zhì)與原始聲音相差無幾，也就是我們常說的超級高保真音質(zhì)。 ?聲音采樣的三個標準頻率分別為： ? ? ?。 23 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 采樣頻率 ? 人耳聽覺上限是 20KHz，根據(jù)奈奎斯特的理論，數(shù)碼音頻的取樣頻率應(yīng)當是 40 KHz， 可為何定了 KHz這么一個特殊的標準？ 1. 對模擬聲音信號進行處理時， 20KHz處有比較明顯的衰減，因此把信號截止頻率提高到 22 KHz 2. 為使交流電紋波的負面影響降到最低，需要取一個既大于 44 KHz,又為 50Hz和 60Hz(國際通行的兩種交流電頻率 )公倍數(shù)的數(shù)據(jù)。 24 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 量化精度 —— 量化位數(shù) ?量化位 數(shù) 是對模擬音頻信號的幅度軸進行數(shù)字化，它決定了模擬信號數(shù)字化以后的 動態(tài)范圍 。 ?由于計算機按字節(jié)運算，一般的量化位數(shù)為8位和 16位。量化位越高，信號的動態(tài)范圍越大，數(shù)字化后的音頻信號就越可能接近原始信號，但所需要的存貯空間也越大。 類似于你銀行的存款位數(shù) 25 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 量化精度 —— 量化位數(shù) ? 例如用 8位表示一個聲音采樣的樣本，則樣本值是 0到 255之間的 256個整數(shù)值，此時采樣精度就是 1/256. ?量化精度 、 存儲空間 、 聲音質(zhì)量 、 處理速度 之間的矛盾。（理解） 26 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 量化精度 —— 信噪比表示 ? 信噪比 SNR(signaltonoise ratio)公式： SNR= 10 log[(Vsignal)2/(Vnoise)2] = 20 log(Vsignal /Vnoise) ? 說明： ? Vsignal表示信號電壓 ? Vnoise表示噪聲電壓 ? SNR的單位為分貝 (dB) ?如何理解信噪比公式 (思考題 ) 27 南通大學(xué)計算機應(yīng)用教研室 量化精度