【正文】 （ 46年 ， Bell實(shí)驗(yàn)室 ） 2. 晶體管 PCM（ 62年 ， 市話擴(kuò)容 ， 64kb/s） 3. 單片 IC PCM（ 70年代 ， 微波 、 衛(wèi)星 、 光纖 ） ? 增量編碼原理 （ 46年 ， 法 De Loraine） 1. 自適應(yīng)增量 CVSD（ 60年代末 ， 軍用 ， 3 16kb/s） Continuously Variable Slope Delta Modulator 連續(xù)變化斜率增量調(diào)制器 ? 其他編碼 （ 70年代 ， ADPCM、 SubBand、 ATC、 APC等 ） 在 16kb/s以上得到較好的話音質(zhì)量 。 線性預(yù)測(cè)編碼 (LPC) 43 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 語(yǔ)音編碼 —— 實(shí)現(xiàn)方法 ?混合編碼 將以上二種方法混合 ， ?特點(diǎn)：以較低的比特率獲得較高的質(zhì)量 ， 延時(shí)適中 ，復(fù)雜 。 ?特點(diǎn)：比特率較低 、 解碼后質(zhì)量較低 、 延時(shí)較大 。 可以分為： ?時(shí)域波形編碼 ， 如 PCM、 ADPCM、 ?M等； ?頻域波形編碼 ， 如子帶編碼 （ SBC） 、 自適應(yīng)變換編碼等 。 40 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 兩種音頻文件的比較 表 24 MIDI和 WAVE文件的比較 MIDI WAVE 文件內(nèi)容 MIDI指令 數(shù)字音頻數(shù)據(jù) 音源 MIDI樂(lè)器 Mic,磁帶 ,CD唱盤 ,音響 容量 小 與音質(zhì)成正比 效果 與聲卡質(zhì)量有關(guān) 與編碼指標(biāo)有關(guān) 適用性 易編輯 聲源受限 數(shù)據(jù)量很小 不易編輯 聲源不限 數(shù)據(jù)量大 41 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(lè) 4. 語(yǔ)音編碼 (教材第三章 ) 5. 脈沖編碼調(diào)制 6. PCM 應(yīng)用 7. 其它編碼方法 42 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 語(yǔ)音編碼 —— 實(shí)現(xiàn)方法 ?波形編碼 將波形直接變換成數(shù)字碼流 。 波形表（ Wavetable）合成 其原理是在 ROM中已存儲(chǔ)各種實(shí)際樂(lè)器的聲音樣本，需要時(shí)，調(diào)用相應(yīng)樣本來(lái)合成該樂(lè)器的樂(lè)音。合成的方式是將波形組合在一起，理論上可以有無(wú)限多組波形，但實(shí)際上做不到。 ?最后，將 MIDI指令送往音樂(lè)合成器，由合成器將MIDI指令符號(hào)進(jìn)行解釋并產(chǎn)生波形，然后通過(guò)聲音發(fā)生器送往揚(yáng)聲器播放出來(lái)。 ?這一系列指令可記錄到 MIDI文件中。 37 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 計(jì)算機(jī)上 MIDI的產(chǎn)生過(guò)程 ?MIDI電子樂(lè)器通過(guò) MIDI接口與計(jì)算機(jī)相連。 35 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 MIDI術(shù)語(yǔ) MIDI消息 ( message ) 或指令：樂(lè)譜的一種記錄格式，相當(dāng)于樂(lè)譜語(yǔ)言。它著重于同時(shí)演奏的樂(lè)器數(shù)。它著重于同時(shí)演奏的音符數(shù)。泛音的合成決定聲音音質(zhì)。當(dāng)需要播放這首樂(lè)曲時(shí)，根據(jù)記錄的樂(lè)譜指令，通過(guò)音樂(lè)合成器生成音樂(lè)聲波，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器播出。 ?聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率的對(duì)應(yīng) 參見(jiàn)教材表 21 p11 31 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(lè) 4. 語(yǔ)音編碼 5. 脈沖編碼調(diào)制 6. PCM應(yīng)用 7. 其它編碼方法 32 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 電子合成音樂(lè) － MIDI ?樂(lè)器數(shù)字接口 MIDI（ Musical Instrument Digital Interface），泛指數(shù)字音樂(lè)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它是音樂(lè)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。雙聲道又稱為立體聲，在硬件中要占兩條線路，音質(zhì)、音色好，但立體聲數(shù)字化后所占空間比單聲道多一倍。 1. 采樣精度為 1bit時(shí)， Vsignal＝ 21，此時(shí)它的信噪比： SNR= 20 log(Vsignal /Vnoise) = 20 log( 21 / 1 ) = 20 log 2 = 20 * = 6 dB 28 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 量化精度 —— 信噪比計(jì)算 ? 舉例：假設(shè) Vnoise=1。 類似于你銀行的存款位數(shù) 25 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 量化精度 —— 量化位數(shù) ? 例如用 8位表示一個(gè)聲音采樣的樣本，則樣本值是 0到 255之間的 256個(gè)整數(shù)值，此時(shí)采樣精度就是 1/256. ?量化精度 、 存儲(chǔ)空間 、 聲音質(zhì)量 、 處理速度 之間的矛盾。 ?由于計(jì)算機(jī)按字節(jié)運(yùn)算，一般的量化位數(shù)為8位和 16位。 23 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 采樣頻率 ? 人耳聽(tīng)覺(jué)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(dāng)是 40 KHz， 可為何定了 KHz這么一個(gè)特殊的標(biāo)準(zhǔn)？ 1. 對(duì)模擬聲音信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)， 20KHz處有比較明顯的衰減，因此把信號(hào)截止頻率提高到 22 KHz 2. 為使交流電紋波的負(fù)面影響降到最低，需要取一個(gè)既大于 44 KHz,又為 50Hz和 60Hz(國(guó)際通行的兩種交流電頻率 )公倍數(shù)的數(shù)據(jù)。 22 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(wú)幾，也就是我們常說(shuō)的超級(jí)高保真音質(zhì)。 21 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(hào)最高頻率 ?對(duì)聲音信號(hào)而言， fmax為聲音信號(hào)的最高頻率。 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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 聲音信號(hào)的數(shù)字化 ? 需要解決的兩個(gè)問(wèn)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(jì)算機(jī)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)。 15 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 聲音信號(hào)的數(shù)字化 ? 聲音信號(hào)的數(shù)字化步驟： 1. 采樣 —— 得到一個(gè)個(gè)時(shí)間上離散的幅度值 2. 量化 —— 得到一個(gè)個(gè)離散的幅度值 ? 連續(xù) 時(shí)間的 離散化通過(guò)采樣，一般采用 均勻采樣 (uniform sampling) ? 連續(xù) 幅度的 離散化通過(guò)量化，可采用 線性量化 , 或 非線性量化 16 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 聲音信號(hào)的數(shù)字化 (圖 ) 圖 聲音信號(hào)的數(shù)字化 17 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 采樣和量化 —— 示例 ? 如有一聲音信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行采樣和量化。 14 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn) 1. 數(shù)字信號(hào)計(jì)算是一種精確的計(jì)算方法，不受時(shí)間和環(huán)境變化的影響； 2. 用數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)（模擬）原來(lái)的物理部件的功能相對(duì)比較容易 3. 可以通過(guò)改變數(shù)學(xué)運(yùn)算的方法，實(shí)現(xiàn)不同的功能，而不需更換物理部件 (DSP)。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(hào)就是數(shù)字信號(hào) 13 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào) ? 為什么要從模擬信號(hào)過(guò)渡到數(shù)字信號(hào)？ 1. 以前聲音長(zhǎng)途傳輸用電信號(hào)來(lái)模擬聲波，對(duì)電信號(hào)的處理，采用模擬電氣元件，受環(huán)境影響很大（溫度、電磁場(chǎng)干擾），難以糾錯(cuò)。信噪比越大，聲音質(zhì)量越好 10 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(lè) 4. 語(yǔ)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(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 聲音的數(shù)字化 1. 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) 2. 聲音信號(hào)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(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào) ?模擬信號(hào) —— 時(shí)間上、幅度上均連續(xù)的 信號(hào)。 音質(zhì)效果 AM廣播 FM廣播 數(shù)字電話 CD－ DA 動(dòng)態(tài)范圍（ dB） 40 60 50 100 動(dòng)態(tài)范圍＝ 20 log（信號(hào)的最大強(qiáng)度 / 信號(hào)的最小強(qiáng)度） 單位： （ dB） 表 聲音的動(dòng)態(tài)范圍