【正文】 FCC)，成立目的是為了解決各公司不同的電視制式的分歧，從而統(tǒng)一全國(guó)的電視傳送制式。1941 年 3 月，委員會(huì)就無(wú)線(xiàn)電制造協(xié)會(huì)于 1936 年建議，發(fā)布了關(guān)于黑白電視機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。NTSC 標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)建議了幀頻為每秒 30 幀，每幀由兩場(chǎng)交錯(cuò)掃描線(xiàn)組成，每場(chǎng)由 條線(xiàn)組成，每秒組成 60 場(chǎng)。委員會(huì)在最后建議中使用 4:3 畫(huà)面比例，和使用 FM 調(diào)制伴音。1950 年 1 月，委員會(huì)職責(zé)改為為彩色電視制定標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)。在 1953 年 12 月，該嶄新的電視制式名稱(chēng)直接使用該組織簡(jiǎn)寫(xiě)，就是今天所稱(chēng)的 NTSC 制式（后來(lái)又定義為RS170A） 。該彩色電視標(biāo)準(zhǔn)保留了與黑白電視機(jī)的兼容性。彩色信號(hào)加載在原黑白信號(hào)中的副載波中 （大約等于 ） 。為了消除由彩色信號(hào)及伴音信號(hào)所產(chǎn)生的圖像干擾，每秒幀頻由 30 幀稍微下調(diào)至 幀，同時(shí)線(xiàn)頻由 15750Hz 稍微下降至 。NTSC 彩色電視標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)被其他國(guó)家采用，包括眾多美洲國(guó)家以及日本。在數(shù)位電視廣播大行其道的今天，傳統(tǒng) NTSC 廣播制式將會(huì)逐漸淡出歷史。自 2022 年開(kāi)始，美國(guó)電視已經(jīng)完全實(shí)施數(shù)位化，再也沒(méi)有電視節(jié)目使用 NTSC 制式播出。1. 視頻信號(hào)的掃描(a) 逐行掃描圖示 10 / 103(b) 隔行掃描圖示隔行掃描的優(yōu)點(diǎn)：（1）隔行掃描可以表現(xiàn)更快的運(yùn)動(dòng)圖像，這種表現(xiàn)是以垂直清晰度的下降作為代價(jià)的。（2）呈現(xiàn)靜止圖像時(shí)，其垂直清晰度由每一場(chǎng)的掃描線(xiàn)所決定。隔行掃描多用于廣播電視，在具有高分辨率的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多采用逐行掃描。2. 視頻信號(hào)的數(shù)字化視頻信號(hào)的數(shù)字化與靜止圖像一樣，首先用掃描的方法將視頻信號(hào)變換成一維信號(hào)，然后通過(guò)采樣、量化和分配碼字進(jìn)行數(shù)字化處理。3. 視頻信號(hào)中的色信號(hào)視頻信號(hào)中對(duì)色信號(hào)的處理有兩種不同的方式，一種是將色差信號(hào)疊加到亮度信號(hào)上的復(fù)合方式，一種是將色度信號(hào)和亮度信號(hào)分別進(jìn)行處理的分組方式。 1 / 1033 聲音合成教學(xué)目標(biāo)通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)對(duì)多媒體教學(xué)軟件中廣泛使用的各種聲音合成技術(shù)的工作原理和基本方法有一定的理解，能：1． 說(shuō)明錄音編輯的基本方法及其存在的問(wèn)題。2． 說(shuō)明 PCM 的工作原理和基本方法。3． 說(shuō)明 DM 的工作原理和編碼方法，通過(guò)對(duì) DM 的噪聲分析，說(shuō)明 ADM 的工作原理。4． 說(shuō)明 DPCM 和 ADPCM 的工作原理。5． 說(shuō)明現(xiàn)行預(yù)測(cè)的工作原理。教學(xué)內(nèi)容1． 錄音編輯——基于句子和單詞的編輯方式，基于音節(jié)的編輯合成，對(duì)錄音編輯的分析2． 脈沖代買(mǎi)調(diào)制（PCM）——基本原理，采樣與量化，高通濾波3． 增量調(diào)制（DM ）——基本原理，粒狀噪聲與超載噪聲，自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）4． 差分脈沖代碼調(diào)制（DPCM）——基本原理，自適應(yīng)差分脈沖代碼調(diào)制（ADPCM）5． 線(xiàn)性預(yù)測(cè)——基本原理，數(shù)據(jù)量分析 錄音編輯錄音編輯可以根據(jù)錄音編輯的單位不同進(jìn)行分類(lèi)。作為錄音編輯的單位可以是句子、單詞，也可以是音節(jié)。 基于句子和單詞的錄音編輯方式預(yù)先將句子、單詞作為錄音的單位，對(duì)文章、講話(huà)中所涉及的有關(guān)句子、單詞逐個(gè)進(jìn)行錄音并予以存放。在播放、呈現(xiàn)聲音，即聲音合成時(shí)，根據(jù)文章、講話(huà)的要求，將相關(guān)的句子、單詞撿出，通過(guò)編輯，組成文章、講話(huà)予以播放、呈現(xiàn)。 2 / 103 基于音節(jié)的編輯合成方式以音節(jié)為記錄單位的，基于音節(jié)的編輯合成方式與基于單詞、句子的編輯合成方式相比，不僅大大減少了錄音所需的存儲(chǔ)容量，同時(shí)也使合成時(shí)的檢索、控制變得十分方便。這是基于音節(jié)的編輯合成方式的基本特點(diǎn)。這種方式雖然有這樣的優(yōu)點(diǎn)，但合成的聲音音質(zhì)較差，很難表現(xiàn)人們?cè)谥v話(huà)時(shí)的各種情感和音調(diào)的變化。 錄音編輯聲音合成的分析聲音數(shù)據(jù)容量龐大，通常需要壓縮。聲音數(shù)據(jù)的壓縮通常采用聲音編碼的方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)壓縮編碼，減少聲音信息中的冗余性是實(shí)現(xiàn)聲音信息壓縮的基本方法。它對(duì)聲音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸具有重要的意義。聲音合成研究的基本目標(biāo)是以較小的數(shù)據(jù)量，合成出逼近人們自然語(yǔ)言的聲音信息。 脈沖代碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pulse code modulation，PCM)是概念上最簡(jiǎn)單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。PCM 的編碼原理比較直觀(guān)和簡(jiǎn)單，它的原理框圖如圖所示。在這個(gè)編碼框圖中，它的輸入是模擬聲音信號(hào)，它的輸出是 PCM 樣本。圖中的“防失真濾波器”是一個(gè)低通濾波器，用來(lái)濾除聲音頻帶以外的信號(hào)；“波形編碼器”可暫時(shí)理解為“采樣器”，“量化器”可理解為“量化階大小(stepsize)”生成器或者稱(chēng)為 “量化間隔”生成器。PCM 編碼框圖 3 / 103聲音數(shù)字化有兩個(gè)步驟：第一步是采樣，就是每隔一段時(shí)間間隔讀一次聲音的幅度；第二步是量化，就是把采樣得到的聲音信號(hào)幅度轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。但那時(shí)并沒(méi)有涉及如何進(jìn)行量化。量化有好幾種方法，但可歸納成兩類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為均勻量化，另一類(lèi)稱(chēng)為非均勻量化。采用的量化方法不同，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。因此，可以說(shuō)量化也是一種壓縮數(shù)據(jù)的方法。 基本原理首先對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行采樣，隨后將各個(gè)采樣點(diǎn)的模擬聲音信號(hào)值經(jīng) A/D 變換器變換成由 0 和 1 組成的數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)存放在大容量的存儲(chǔ)器中。所存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)D/A 變換器變換成模擬信號(hào)，送至揚(yáng)聲器就可播放出人們能聽(tīng)懂的聲音。均勻量化如果采用相等的量化間隔對(duì)采樣得到的信號(hào)作量化，那么這種量化稱(chēng)為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來(lái)度量采樣得到的幅度，也稱(chēng)為線(xiàn)性量化，如下圖所示。量化后的樣本值 Y 和原始值 X 的差 E=YX 稱(chēng)為量化誤差或量化噪聲。 4 / 103均勻量化用這種方法量化輸入信號(hào)時(shí)，無(wú)論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)一律都采用相同的量化間隔。為了適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，同時(shí)又要滿(mǎn)足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對(duì)話(huà)音信號(hào)來(lái)說(shuō)，大信號(hào)出現(xiàn)的機(jī)會(huì)并不多，增加的樣本位數(shù)就沒(méi)有充分利用。為了克服這個(gè)不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法，這種方法也叫做非線(xiàn)性量化。非均勻量化非線(xiàn)性量化的基本想法是，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，大的輸入信號(hào)采用大的量化間隔，小的輸入信號(hào)采用小的量化間隔，如下圖所示。這樣就可以在滿(mǎn)足精度要求的情況下用較少的位數(shù)來(lái)表示。聲音數(shù)據(jù)還原時(shí)，采用相同的規(guī)則。在非線(xiàn)性量化中，采樣輸入信號(hào)幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間定義了兩種對(duì)應(yīng)關(guān)系，一種稱(chēng)為 律壓擴(kuò)(panding)算法，另一種稱(chēng)為 A 律壓擴(kuò)算法。 5 / 103 非均勻量化 采樣與量化PCM 編碼中，除需要以一定的頻率進(jìn)行采樣外，還需要對(duì)每一個(gè)樣本進(jìn)行量化，分配一定的碼字。量化的精度，即分配的碼字的長(zhǎng)度，對(duì)無(wú)失真地記錄聲音信號(hào)，呈現(xiàn)聲音信號(hào)的細(xì)節(jié)部分具有重要意義。量子化噪音 與量化精度有關(guān)。量子化噪音與量化精度，即分配碼字長(zhǎng)度 b 具有以下關(guān)系： 6(1)bdB?例如，要求噪音的信噪比 S/N 不低于 60dB（分貝） ，即 ，b=110?它表示，在 PCM 編碼時(shí)，分配的碼字長(zhǎng)度不應(yīng)低于 11bit。 高頻濾波為了得到較好的聲音合成效果，首先應(yīng)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是根據(jù)所定的采樣頻率 f，將聲音信號(hào)中高于 f/2 的高頻成分濾除。 增量調(diào)制由于 DM 編碼的簡(jiǎn)單性，它已成為數(shù)字通信和壓縮存儲(chǔ)的一種重要方法，很多人對(duì)最早在1946 年發(fā)明的 DM 系統(tǒng)做了大量的改進(jìn)和提高工作。后來(lái)的自適應(yīng)增量調(diào)制 ADM 系統(tǒng)采用十分簡(jiǎn)單的算法就能實(shí)現(xiàn) 32 kb/s～48 kb/s 的數(shù)據(jù)率，而且可提供高質(zhì)量的重構(gòu)話(huà)音。 6 / 103 基本原理增量調(diào)制也稱(chēng)△調(diào)制(delta modulation，DM)，它是一種預(yù)測(cè)編碼技術(shù)，是 PCM 編碼的一種變形。PCM 是對(duì)每個(gè)采樣信號(hào)的整個(gè)幅度進(jìn)行量化編碼，因此它具有對(duì)任意波形進(jìn)行編碼的能力；DM 是對(duì)實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差的極性進(jìn)行編碼，將極性變成“0”和“1”這兩種可能的取值之一。如果實(shí)際的采樣信號(hào)與預(yù)測(cè)的采樣信號(hào)之差的極性為“正”，則用“1” 表示；相反則用“0” 表示，或者相反。由于 DM 編碼只須用 1 位對(duì)話(huà)音信號(hào)進(jìn)行編碼，所以 DM 編碼系統(tǒng)又稱(chēng)為“1 位系統(tǒng)”。DM 波形編碼的原理如圖所示?？v坐標(biāo)表示“模擬信號(hào)輸入幅度”，橫坐標(biāo)表示“編碼輸出”。用表示采樣點(diǎn)的位置，表示在點(diǎn)的編碼輸出。輸入信號(hào)的實(shí)際值用表示，輸入信號(hào)的預(yù)測(cè)值用表示。假設(shè)采用均勻量化，量化階的大小為△，在開(kāi)始位置的輸入信號(hào)，預(yù)測(cè)值，編碼輸出。增量調(diào)制是一種以最低的一位數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮的編碼方式。在 DM 系統(tǒng)中，應(yīng)預(yù)先確定具有一定振幅值的增量⊿，并根據(jù)當(dāng)前信號(hào)與基于預(yù)測(cè)編碼的預(yù)測(cè)值之間的差值進(jìn)行編碼。DM 方式是一種預(yù)測(cè)編碼的方式。設(shè)當(dāng)前時(shí)刻 n 的聲音信號(hào)值為 Sn 基于預(yù)測(cè)編碼的 n1 時(shí)刻的聲音信號(hào)預(yù)測(cè)值為 ，期1?nS?間的誤差值 en 為 1?nS??稱(chēng) 為預(yù)測(cè)誤差。ne預(yù)測(cè)編碼是按照不斷減少預(yù)測(cè)誤差的方向進(jìn)行編碼的，即通過(guò)編碼，使預(yù)測(cè)值 不斷地1?nS?逼近 。若 ，表示 小于 ，為此，分配增量 ，使預(yù)測(cè)值 不斷地逼近nS0e?1?nS?n??。若 ，表示 大于 ，為此，分配增量 ，減小預(yù)測(cè)值，使之逼近信號(hào)值。??在 DM 方式中，預(yù)測(cè)值是以 確定的。1?nS???? 7 / 103 8 / 103 粒狀噪聲與超載噪聲現(xiàn)在讓我們看幾個(gè)采樣點(diǎn)的輸出。在采樣點(diǎn)=1 處，預(yù)測(cè)值，由于實(shí)際輸入信號(hào)大于預(yù)測(cè)值，因此；… ；在采樣點(diǎn)=4 處，預(yù)測(cè)值，同樣由于實(shí)際輸入信號(hào)大于預(yù)測(cè)值，因此；其他情況依此類(lèi)推。從圖中可以看到，在開(kāi)始階段增量調(diào)制器的輸出不能保持跟蹤輸入信號(hào)的快速變化，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為增量調(diào)制器的“斜率過(guò)載”(slope overload)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)的變化速度超過(guò)反饋回路輸出信號(hào)的最大變化速度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)斜率過(guò)載。之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是反饋回路輸出信號(hào)的最大變化速率受到量化階大小的限制，因?yàn)榱炕A的大小是固定的。從圖中還可以看到，在輸入信號(hào)緩慢變化部分，即輸入信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)的差值接近零的區(qū)域，增量調(diào)制器的輸出出現(xiàn)隨機(jī)交變的“0”和“1” 。這種現(xiàn)象稱(chēng)為增量調(diào)制器的粒狀噪聲(granular noise)，這種噪聲是不可能消除的。 9 / 103DM 波形編碼示意圖在輸入信號(hào)變化快的區(qū)域，斜率過(guò)載是關(guān)心的焦點(diǎn)，而在輸入信號(hào)變化慢的區(qū)域，關(guān)心的焦點(diǎn)是粒狀噪聲。為了盡可能避免出現(xiàn)斜率過(guò)載，就要加大量化階 Δ，但這樣做又會(huì)加大粒狀噪聲；相反，如果要減小粒狀噪聲，就要減小量化階 Δ，這又會(huì)使斜率過(guò)載更加嚴(yán)重。這就促進(jìn)了對(duì)自適應(yīng)增量調(diào)制(adaptive delta modulation，ADM)的研究。 自適應(yīng)增量調(diào)制為了使增量調(diào)制器的量化階 Δ 能自適應(yīng)，也就是根據(jù)輸入信號(hào)斜率的變化自動(dòng)調(diào)整量化階 10 / 103Δ 的大小，以使斜率過(guò)載和粒狀噪聲都減到最小，許多研究人員研究了各種各樣的方法，而且?guī)缀跛械姆椒ɑ旧隙际窃跈z測(cè)到斜率過(guò)載時(shí)開(kāi)始增大量化階 Δ，而在輸入信號(hào)的斜率減小時(shí)降低量化階 Δ。例如，宋(Song) 在 1971 描述的自適應(yīng)增量調(diào)制技術(shù)中提出：假定增量調(diào)制器的輸出為1 和 0，每當(dāng)輸出不變時(shí)量化階增大 50%，使預(yù)測(cè)器的輸出跟上輸入信號(hào)；每當(dāng)輸出值改變時(shí)，量化階減小 50%，使粒狀噪聲減到最小，這種自適應(yīng)方法使斜率過(guò)載和粒狀噪聲同時(shí)減到最小。又如，使用較多的另一種自適應(yīng)增量調(diào)制器是由格林弗基斯(Greefkes)1970 提出的，稱(chēng)為連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(continuously variable slope delta modulation，CVSD) 。它的基本方法是：如果連續(xù)可變斜率增量調(diào)制器(continuously variable slope delta modulator， CVSD)的輸出連續(xù)出現(xiàn)三個(gè)相同的值，量化階就加上一個(gè)大的增量，反之，就加一個(gè)小的增量。為了適應(yīng)數(shù)字通信快速增長(zhǎng)的需要，Motorola 公司于 80 年代初期就已經(jīng)開(kāi)發(fā)了實(shí)現(xiàn)CVSD 算法的集成電路芯片。如 MC3417/MC3517 和 MC3418/MC3518，前者采用 3位算法，后者采用 4 位算法。MC3417/MC3517 用于一般的數(shù)字通信，MC3418/MC3518 用于數(shù)字電話(huà)。MC3417/MC3418 用于民用，MC3517/MC3518用于軍用。 11 / 103 差分脈沖代碼調(diào)制 基本原理DPCM 方式的基本原理，與 DM 方式相同，要求聲音信號(hào)相鄰的兩個(gè)采樣信號(hào)間不應(yīng)有很大的變化，即聲音信號(hào)是一種連續(xù)性的信號(hào)。所不同的是 DM 是一位數(shù)的編碼，DPCM 則是多位數(shù)的編碼。PCM 編碼是對(duì)聲音信號(hào)直接編碼，與之相比較，DPCM 編碼則是對(duì)兩個(gè)采樣值之間的差值，即對(duì)聲音信號(hào) 與其預(yù)測(cè)值 之間的差值——預(yù)測(cè)誤差 進(jìn)行編碼，并nS1?nS? 1?nneS??對(duì)之進(jìn)行有效的碼字分配。以 8 位數(shù)的碼字分配為例，與直接對(duì)聲音信號(hào)分配 8 位數(shù)的碼字相比較，對(duì)預(yù)測(cè)誤差 分配 8 位數(shù)的碼字能實(shí)現(xiàn)高精度的編碼。反言之，為了達(dá)到相同ne的精度，DPCM 只需要較少的位數(shù)，由此，可實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的數(shù)據(jù)壓縮。 自適應(yīng)差分脈沖代碼調(diào)制Adaptive Differential Pulse Code Modulation（ADPCM）自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 12 / 103它是利用自適應(yīng)技術(shù)和差值編碼技術(shù)相結(jié)合的一種編解碼技術(shù)?？梢允?64 Kbit/s 的脈沖編碼（PCM）信號(hào)進(jìn)一步壓縮為 32 Kbit/