【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)一全國的電視傳送制式。1941 年 3 月，委員會就無線電制造協(xié)會于 1936 年建議，發(fā)布了關(guān)于黑白電視機技術(shù)標準。NTSC 標準同時建議了幀頻為每秒 30 幀，每幀由兩場交錯掃描線組成，每場由 條線組成，每秒組成 60 場。委員會在最后建議中使用 4:3 畫面比例，和使用 FM 調(diào)制伴音。1950 年 1 月，委員會職責(zé)改為為彩色電視制定標準化的標準。在 1953 年 12 月，該嶄新的電視制式名稱直接使用該組織簡寫，就是今天所稱的 NTSC 制式（后來又定義為RS170A） 。該彩色電視標準保留了與黑白電視機的兼容性。彩色信號加載在原黑白信號中的副載波中 （大約等于 ） 。為了消除由彩色信號及伴音信號所產(chǎn)生的圖像干擾，每秒幀頻由 30 幀稍微下調(diào)至 幀，同時線頻由 15750Hz 稍微下降至 。NTSC 彩色電視標準后來被其他國家采用，包括眾多美洲國家以及日本。在數(shù)位電視廣播大行其道的今天，傳統(tǒng) NTSC 廣播制式將會逐漸淡出歷史。自 2022 年開始，美國電視已經(jīng)完全實施數(shù)位化，再也沒有電視節(jié)目使用 NTSC 制式播出。1. 視頻信號的掃描(a) 逐行掃描圖示 10 / 103(b) 隔行掃描圖示隔行掃描的優(yōu)點：（1）隔行掃描可以表現(xiàn)更快的運動圖像，這種表現(xiàn)是以垂直清晰度的下降作為代價的。（2）呈現(xiàn)靜止圖像時，其垂直清晰度由每一場的掃描線所決定。隔行掃描多用于廣播電視，在具有高分辨率的計算機系統(tǒng)中，多采用逐行掃描。2. 視頻信號的數(shù)字化視頻信號的數(shù)字化與靜止圖像一樣，首先用掃描的方法將視頻信號變換成一維信號，然后通過采樣、量化和分配碼字進行數(shù)字化處理。3. 視頻信號中的色信號視頻信號中對色信號的處理有兩種不同的方式，一種是將色差信號疊加到亮度信號上的復(fù)合方式，一種是將色度信號和亮度信號分別進行處理的分組方式。 1 / 1033 聲音合成教學(xué)目標通過本章學(xué)習(xí)，應(yīng)對多媒體教學(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． 說明錄音編輯的基本方法及其存在的問題。2． 說明 PCM 的工作原理和基本方法。3． 說明 DM 的工作原理和編碼方法，通過對 DM 的噪聲分析，說明 ADM 的工作原理。4． 說明 DPCM 和 ADPCM 的工作原理。5． 說明現(xiàn)行預(yù)測的工作原理。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，對錄音編輯的分析2． 脈沖代買調(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． 線性預(yù)測——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行分類。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，對文章、講話中所涉及的有關(guān)句子、單詞逐個進行錄音并予以存放。在播放、呈現(xiàn)聲音，即聲音合成時，根據(jù)文章、講話的要求，將相關(guān)的句子、單詞撿出，通過編輯，組成文章、講話予以播放、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容量，同時也使合成時的檢索、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。這種方式雖然有這樣的優(yōu)點，但合成的聲音音質(zhì)較差，很難表現(xiàn)人們在講話時的各種情感和音調(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現(xiàn)。通過壓縮編碼，減少聲音信息中的冗余性是實現(xiàn)聲音信息壓縮的基本方法。它對聲音數(shù)據(jù)的存儲、傳輸具有重要的意義。聲音合成研究的基本目標是以較小的數(shù)據(jù)量，合成出逼近人們自然語言的聲音信息。 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和簡單，它的原理框圖如圖所示。在這個編碼框圖中，它的輸入是模擬聲音信號，它的輸出是 PCM 樣本。圖中的“防失真濾波器”是一個低通濾波器，用來濾除聲音頻帶以外的信號；“波形編碼器”可暫時理解為“采樣器”，“量化器”可理解為“量化階大小(stepsize)”生成器或者稱為 “量化間隔”生成器。PCM 編碼框圖 3 / 103聲音數(shù)字化有兩個步驟：第一步是采樣，就是每隔一段時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幅度轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。但那時并沒有涉及如何進行量化。量化有好幾種方法，但可歸納成兩類：一類稱為均勻量化，另一類稱為非均勻量化。采用的量化方法不同，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。因此，可以說量化也是一種壓縮數(shù)據(jù)的方法。 基本原理首先對模擬聲音信號進行采樣，隨后將各個采樣點的模擬聲音信號值經(jīng) A/D 變換器變換成由 0 和 1 組成的數(shù)字信號，該數(shù)字信號存放在大容量的存儲器中。所存儲的數(shù)字信號，經(jīng)D/A 變換器變換成模擬信號，送至揚聲器就可播放出人們能聽懂的聲音。均勻量化如果采用相等的量化間隔對采樣得到的信號作量化，那么這種量化稱為均勻量化。均勻量化就是采用相同的“等分尺”來度量采樣得到的幅度，也稱為線性量化，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時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號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，同時又要滿足精度要求，就需要增加樣本的位數(shù)。但是，對話音信號來說，大信號出現(xiàn)的機會并不多，增加的樣本位數(shù)就沒有充分利用。為了克服這個不足，就出現(xiàn)了非均勻量化的方法，這種方法也叫做非線性量化。非均勻量化非線性量化的基本想法是，對輸入信號進行量化時，大的輸入信號采用大的量化間隔，小的輸入信號采用小的量化間隔，如下圖所示。這樣就可以在滿足精度要求的情況下用較少的位數(shù)來表示。聲音數(shù)據(jù)還原時，采用相同的規(guī)則。在非線性量化中，采樣輸入信號幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間定義了兩種對應(yīng)關(guān)系，一種稱為 律壓擴(panding)算法，另一種稱為 A 律壓擴算法。 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行采樣外，還需要對每一個樣本進行量化，分配一定的碼字。量化的精度，即分配的碼字的長度，對無失真地記錄聲音信號，呈現(xiàn)聲音信號的細節(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，分配的碼字長度不應(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)對聲音信號進行預(yù)處理。預(yù)處理的目的是根據(jù)所定的采樣頻率 f，將聲音信號中高于 f/2 的高頻成分濾除。 增量調(diào)制由于 DM 編碼的簡單性，它已成為數(shù)字通信和壓縮存儲的一種重要方法，很多人對最早在1946 年發(fā)明的 DM 系統(tǒng)做了大量的改進和提高工作。后來的自適應(yīng)增量調(diào)制 ADM 系統(tǒng)采用十分簡單的算法就能實現(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)話音。 6 / 103 基本原理增量調(diào)制也稱△調(diào)制(delta modulation，DM)，它是一種預(yù)測編碼技術(shù)，是 PCM 編碼的一種變形。PCM 是對每個采樣信號的整個幅度進行量化編碼，因此它具有對任意波形進行編碼的能力；DM 是對實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性進行編碼，將極性變成“0”和“1”這兩種可能的取值之一。如果實際的采樣信號與預(yù)測的采樣信號之差的極性為“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 位對話音信號進行編碼，所以 DM 編碼系統(tǒng)又稱為“1 位系統(tǒng)”。DM 波形編碼的原理如圖所示?？v坐標表示“模擬信號輸入幅度”，橫坐標表示“編碼輸出”。用表示采樣點的位置，表示在點的編碼輸出。輸入信號的實際值用表示，輸入信號的預(yù)測值用表示。假設(shè)采用均勻量化，量化階的大小為△，在開始位置的輸入信號，預(yù)測值，編碼輸出。增量調(diào)制是一種以最低的一位數(shù)進行數(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)前信號與基于預(yù)測編碼的預(yù)測值之間的差值進行編碼。DM 方式是一種預(yù)測編碼的方式。設(shè)當(dāng)前時刻 n 的聲音信號值為 Sn 基于預(yù)測編碼的 n1 時刻的聲音信號預(yù)測值為 ，期1?nS?間的誤差值 en 為 1?nS??稱 為預(yù)測誤差。ne預(yù)測編碼是按照不斷減少預(yù)測誤差的方向進行編碼的，即通過編碼，使預(yù)測值 不斷地1?nS?逼近 。若 ，表示 小于 ，為此，分配增量 ，使預(yù)測值 不斷地逼近nS0e?1?nS?n??。若 ，表示 大于 ，為此，分配增量 ，減小預(yù)測值，使之逼近信號值。??在 DM 方式中，預(yù)測值是以 確定的。1?nS???? 7 / 103 8 / 103 粒狀噪聲與超載噪聲現(xiàn)在讓我們看幾個采樣點的輸出。在采樣點=1 處，預(yù)測值，由于實際輸入信號大于預(yù)測值，因此；… ；在采樣點=4 處，預(yù)測值，同樣由于實際輸入信號大于預(yù)測值，因此；其他情況依此類推。從圖中可以看到，在開始階段增量調(diào)制器的輸出不能保持跟蹤輸入信號的快速變化，這種現(xiàn)象就稱為增量調(diào)制器的“斜率過載”(slope overload)。一般來說，當(dāng)輸入信號的變化速度超過反饋回路輸出信號的最大變化速度時，就會出現(xiàn)斜率過載。之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是反饋回路輸出信號的最大變化速率受到量化階大小的限制，因為量化階的大小是固定的。從圖中還可以看到，在輸入信號緩慢變化部分，即輸入信號與預(yù)測信號的差值接近零的區(qū)域，增量調(diào)制器的輸出出現(xiàn)隨機交變的“0”和“1” 。這種現(xiàn)象稱為增量調(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變化快的區(qū)域，斜率過載是關(guān)心的焦點，而在輸入信號變化慢的區(qū)域，關(guān)心的焦點是粒狀噪聲。為了盡可能避免出現(xiàn)斜率過載，就要加大量化階 Δ，但這樣做又會加大粒狀噪聲；相反，如果要減小粒狀噪聲，就要減小量化階 Δ，這又會使斜率過載更加嚴重。這就促進了對自適應(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)輸入信號斜率的變化自動調(diào)整量化階 10 / 103Δ 的大小，以使斜率過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測到斜率過載時開始增大量化階 Δ，而在輸入信號的斜率減小時降低量化階 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)輸出不變時量化階增大 50%，使預(yù)測器的輸出跟上輸入信號；每當(dāng)輸出值改變時，量化階減小 50%，使粒狀噪聲減到最小，這種自適應(yīng)方法使斜率過載和粒狀噪聲同時減到最小。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)三個相同的值，量化階就加上一個大的增量，反之，就加一個小的增量。為了適應(yīng)數(shù)字通信快速增長的需要，Motorola 公司于 80 年代初期就已經(jīng)開發(fā)了實現(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。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，要求聲音信號相鄰的兩個采樣信號間不應(yīng)有很大的變化，即聲音信號是一種連續(xù)性的信號。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 編碼是對聲音信號直接編碼，與之相比較，DPCM 編碼則是對兩個采樣值之間的差值，即對聲音信號 與其預(yù)測值 之間的差值——預(yù)測誤差 進行編碼，并nS1?nS? 1?nneS??對之進行有效的碼字分配。以 8 位數(shù)的碼字分配為例，與直接對聲音信號分配 8 位數(shù)的碼字相比較，對預(yù)測誤差 分配 8 位數(shù)的碼字能實現(xiàn)高精度的編碼。反言之，為了達到相同ne的精度，DPCM 只需要較少的位數(shù)，由此，可實現(xiàn)聲音信號的數(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）信號進一步壓縮為 32 Kbit/