【正文】 抑揚(yáng)頓挫 9 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 音頻信號(hào)的指標(biāo) (續(xù) ) 三．信噪比：信噪比 SNR（ Signal to Noise Ratio）是有用信號(hào)與噪聲之比的簡稱。 圖 聲音的頻帶 7 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 音頻信號(hào)的指標(biāo) 一 . 頻帶寬度：音頻信號(hào)的頻帶越寬，所包含的音頻信號(hào)分量越豐富，音質(zhì)越好。同時(shí)，對(duì)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。 ? 其定義是： dB數(shù) =20lgA/B ? 但在功率級(jí)、聲強(qiáng)級(jí)及能量級(jí)中，其定義是： dB數(shù)=10lgA/B ? 式中， A是被比較的絕對(duì)量，例如電壓、電流等； B為比較的標(biāo)準(zhǔn)量。南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 1 第二章 聲音和語音編碼 2 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 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(jì)算機(jī)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(hào)是由許多頻率不同的信號(hào)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(qiáng)的方向性 ? 應(yīng)用： B超、探測儀、主動(dòng)聲納 4 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(huì)感動(dòng)疼痛 補(bǔ)充： 什么是 dB（分貝）數(shù)？ 5 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 什么是 dB（分貝）數(shù)？ ? 一種相對(duì)量單位，在專業(yè)音響設(shè)備的調(diào)節(jié)刻度上經(jīng)常會(huì)遇到，例如增益大小、衰減量、提升量、電平量等。 ? 采用 dB數(shù)表示量值的優(yōu)點(diǎn)是縮小了數(shù)值大小，使量值表示更簡單更具體，使運(yùn)算簡化。 6 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(hào)的頻率范圍。 圖 聲音的頻帶寬度 8 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 音頻信號(hào)的指標(biāo) (續(xù) ) 二．動(dòng)態(tài)范圍 : 動(dòng)態(tài)范圍越大，信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，音響效果越好。噪音可分為環(huán)境噪音和設(shè)備噪音。 ?采樣 —— 在某一時(shí)刻對(duì)模擬信號(hào)的幅度進(jìn)行測量，將其 時(shí)間上 離散化 ?量化 —— 將采樣得到的信號(hào)幅度的取值離散化。 2. 采用數(shù)字信號(hào)，采用數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，受環(huán)境影響較小，可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)處理。即只需對(duì) DSP編程。 ? 量化表用 [1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8] ，四舍五入方法。 ?奈奎斯特采樣定理 (Nyquist theory): ?如果對(duì)某一模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，則采樣后可還原的最高信號(hào)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(hào)最高頻率的兩倍，就能從采樣信號(hào)系列重構(gòu)原始信號(hào)。 ?在實(shí)際應(yīng)用中，為了使前級(jí)抗混疊濾波器易于實(shí)現(xiàn)，提高輸入信號(hào)的信噪比，一般 fs取 fmax的。 ?聲音采樣的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率分別為： ? ? ?。 24 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) ?量化位 數(shù) 是對(duì)模擬音頻信號(hào)的幅度軸進(jìn)行數(shù)字化，它決定了模擬信號(hào)數(shù)字化以后的 動(dòng)態(tài)范圍 。量化位越高，信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍越大，數(shù)字化后的音頻信號(hào)就越可能接近原始信號(hào)，但所需要的存貯空間也越大。（理解） 26 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)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(hào)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(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。 2. 采樣精度為 8bit時(shí)， Vsignal＝ 28，此時(shí)它的信噪比： SNR= 20 log(Vsignal /Vnoise) = 20 log( 28 / 1 ) = 20* 8 *log 2 = 20 * 8 * = 48 dB 29 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 采樣精度 （表） 表 23 采樣位數(shù)與信噪比對(duì)照表 量化位 等份 信噪比 (dB) 應(yīng) 用 1 2 6 8 256 48 數(shù)字電話 16 65536 96 CDDA 30 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 聲音質(zhì)量與數(shù)據(jù)率 ?聲道數(shù)：有單聲道和雙聲道之分。 ?數(shù)據(jù)率：為 每秒 bit數(shù)， (bps). 數(shù)據(jù)率是計(jì)算機(jī)處理時(shí)要掌握的基本技術(shù)參數(shù) 。 ?MIDI不是把音樂的波形進(jìn)行數(shù)字化采樣和編碼，而是將數(shù)字式電子樂器的 彈奏過程記錄下來 ，如按了哪一個(gè)鍵、力度多大、時(shí)間多長等等。 33 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 MIDI術(shù)語 一、 音樂合成器 （ Musical Synthesizer）：用來產(chǎn)生并修改正弦波形的疊加，然后通過聲音產(chǎn)生器和揚(yáng)聲器發(fā)出特定的聲音。 二、 復(fù)調(diào)聲音 ：簡稱為復(fù)音（ Polyphony），指合成器 同時(shí)演奏若干音符 時(shí)發(fā)出的聲音。 34 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 MIDI術(shù)語 三、多音色（ Timbre）：指同時(shí)演奏幾種不同樂器時(shí)發(fā)出的聲音。 四、 MIDI標(biāo)準(zhǔn) MIDI電子樂器：能產(chǎn)生特定聲音的合成器，其數(shù)據(jù)傳送符合 MIDI通信約定。 MIDI接口（ interface）： MIDI硬件通信協(xié)議 MIDI通道 ( channel )：共 16個(gè)通道，每種通道對(duì)應(yīng)一種邏輯的合成器 36 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 MIDI術(shù)語 MIDI文件：由控制數(shù)據(jù)和樂譜信息數(shù)據(jù)構(gòu)成 音序器 ( Sequencer )：用來記錄、編輯和播放 MIDI文件的軟件。 ?計(jì)算機(jī)可通過音序器軟件來采集 MIDI電子樂器發(fā)出的一系列指令。 ?在計(jì)算機(jī)上音序器可對(duì) MIDI文件進(jìn)行編輯和修改。 38 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)生過程 圖 MIDI的產(chǎn)生過程 39 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 MIDI合成的產(chǎn)生方式 頻率調(diào)制合成 ( Frequency Modulation ) 通過硬件產(chǎn)生正弦信號(hào)，再經(jīng)處理合成音樂。其泛音的合成與模擬比較困難，實(shí)際的質(zhì)量不高。ROM的容量越大，合成效果越好，價(jià)格也越貴。 ?特點(diǎn)：比特率較高 、 解碼后質(zhì)量較高 、 延時(shí)較小 。 ?參數(shù)編碼 從信源信號(hào)的某個(gè)域中提取特征參數(shù) ， 并變換成數(shù)字碼流 。 如：各種聲碼器 。 ?如： GSM的語音編碼 。 特點(diǎn)：話音質(zhì)量好 ， 且編碼速率高 。 ?混合編碼器 利用線性預(yù)測 、 VQ、 ABS、 感覺加權(quán) 、 后濾波等技術(shù) 。 46 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 語音編碼的優(yōu)點(diǎn) ? 提高傳輸?shù)馁|(zhì)量 ? 便于處理 ?使用靈活 ， 便于多種媒體 （ 視頻 、 音頻 、文字 、 數(shù)據(jù) ） 相結(jié)合應(yīng)用 ? 易于加密 ? 適合大規(guī)模集成 ? 可靠性高 、 體積功耗小 ? 價(jià)格便宜 47 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 表 語音編碼的應(yīng)用 分類 頻率范圍Hz動(dòng)態(tài)范圍 采樣頻率k Hz質(zhì)量要求主要應(yīng)用電話語音 3 0 0 3 4 0 0 4 8 d B 8 清晰度 數(shù)字電話寬帶語音 5 0 7 0 0 0 8 4 d B 16 清晰度 揚(yáng)聲器電話I SD N 會(huì)議電視廣播音頻 1 0 2 0 k 9 6 d B 484 4 . 132保真度 音頻產(chǎn)品節(jié)目分配和交換數(shù)字聲廣播數(shù)字聲存儲(chǔ)視頻會(huì)議多媒體系統(tǒng)高質(zhì)量電視48 南通大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教研室 壓縮的必要性 類型 采樣率 KHZ 比特 / 樣點(diǎn) 比特率 k b / s 電話語音 8 12 96 寬帶語音 16 14 2 2 4 調(diào)頻廣播 32 16 5 1 2 CD 光盤 4 4 . 1 16 7 0 5 . 6 D A B/D A T 48 16 7 6 8 表 幾種類型信號(hào)的參數(shù)