第2章_音頻處理技術(shù)

1、普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材國(guó)家級(jí)規(guī)劃教材多媒體技術(shù)及應(yīng)用多媒體技術(shù)及應(yīng)用趙英良趙英良 馮博琴馮博琴 崔舒寧崔舒寧清華大學(xué)出版社20091第第2章章 音頻處理技術(shù)音頻處理技術(shù)制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2簡(jiǎn)述簡(jiǎn)述n音頻是多媒體技術(shù)中媒體的一種，由于音頻音頻是多媒體技術(shù)中媒體的一種，由于音頻信號(hào)是一種連續(xù)變化的模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)信號(hào)是一種連續(xù)變化的模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能處理和記錄二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，因此，只能處理和記錄二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，因此，音頻信號(hào)必須經(jīng)過一定的變化和處理，變成音頻信號(hào)必須經(jīng)過一定的變化和處理，變成二進(jìn)制數(shù)據(jù)

2、后才能送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行編輯和存二進(jìn)制數(shù)據(jù)后才能送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行編輯和存儲(chǔ)。儲(chǔ)。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心32.1 聲音的基本特性聲音的基本特性 n音頻信號(hào)所攜帶的信息大體上可分為語音、音頻信號(hào)所攜帶的信息大體上可分為語音、音樂和音響三類。音樂和音響三類。u語音是指具有語言內(nèi)涵和人類約定的特殊媒體；語音是指具有語言內(nèi)涵和人類約定的特殊媒體；u音樂是規(guī)范的符號(hào)化了的聲音；音樂是規(guī)范的符號(hào)化了的聲音；u而音響指其他自然聲音，如動(dòng)物的叫聲、機(jī)器的而音響指其他自然聲音，如動(dòng)物的叫聲、機(jī)器的轟鳴聲、風(fēng)雨雷電聲等轟鳴聲、風(fēng)雨雷電聲等 制作：西安交通大學(xué)制作：西安

3、交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心41.音頻信號(hào)的特征音頻信號(hào)的特征 u機(jī)械振動(dòng)或氣流擾動(dòng)引起周圍彈性媒質(zhì)發(fā)生波動(dòng)，產(chǎn)生聲波。產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)或氣流擾動(dòng)引起周圍彈性媒質(zhì)發(fā)生波動(dòng)，產(chǎn)生聲波。產(chǎn)生聲波的物體為聲源聲波的物體為聲源(如人的聲帶、樂器等如人的聲帶、樂器等)，聲波所及的空間范圍稱，聲波所及的空間范圍稱為聲場(chǎng)。聲波傳到人耳，經(jīng)過人類聽覺系統(tǒng)的感知就是為聲場(chǎng)。聲波傳到人耳，經(jīng)過人類聽覺系統(tǒng)的感知就是聲音聲音。u聲波可以用一條連續(xù)的曲線來表示，它在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的，聲波可以用一條連續(xù)的曲線來表示，它在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)的，稱為稱為模擬音頻信號(hào)模擬音頻信號(hào)。u在任一時(shí)刻，聲波可以

4、分解成一系列正弦波的線性疊加：在任一時(shí)刻，聲波可以分解成一系列正弦波的線性疊加：制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心5（1）聲音的物理特性）聲音的物理特性 n頻率頻率/周期周期/帶寬帶寬 u單位時(shí)間內(nèi)聲源振動(dòng)的次數(shù)或空氣中氣壓疏密變單位時(shí)間內(nèi)聲源振動(dòng)的次數(shù)或空氣中氣壓疏密變化的次數(shù)，稱為聲源的頻率化的次數(shù)，稱為聲源的頻率f，單位赫茲，單位赫茲(Hz) u頻帶寬度或稱之為帶寬，它描述組成復(fù)合信號(hào)的頻帶寬度或稱之為帶寬，它描述組成復(fù)合信號(hào)的頻率范圍頻率范圍 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心6u雖然高于雖然高于20kHz

5、頻率的聲音人耳聽不到，但由于頻率的聲音人耳聽不到，但由于人的聲學(xué)心理特性，可感覺到它的存在。因此，人的聲學(xué)心理特性，可感覺到它的存在。因此，有的音響產(chǎn)品的工作頻率上限為有的音響產(chǎn)品的工作頻率上限為50kHz，甚至調(diào)，甚至調(diào)音臺(tái)的最高工作頻率設(shè)計(jì)到音臺(tái)的最高工作頻率設(shè)計(jì)到100kHz。u聲音信號(hào)可被分解和復(fù)合，可以從中抽出若干個(gè)聲音信號(hào)可被分解和復(fù)合，可以從中抽出若干個(gè)單一的正弦信號(hào)，也可以用若干個(gè)單一的正弦信單一的正弦信號(hào)，也可以用若干個(gè)單一的正弦信號(hào)來合成任意波形的復(fù)合信號(hào)，如合成語音和合號(hào)來合成任意波形的復(fù)合信號(hào)，如合成語音和合成音樂等成音樂等 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)

6、教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心7聲壓和聲強(qiáng)聲壓和聲強(qiáng)u聲波在空氣媒質(zhì)中是以空氣中的分子振動(dòng)形成疏密而傳聲波在空氣媒質(zhì)中是以空氣中的分子振動(dòng)形成疏密而傳播。它造成空氣中的氣壓發(fā)生大小變化，相當(dāng)于在無聲播。它造成空氣中的氣壓發(fā)生大小變化，相當(dāng)于在無聲波下空氣中的氣壓上疊加一個(gè)變化的壓強(qiáng)，疊加上的壓波下空氣中的氣壓上疊加一個(gè)變化的壓強(qiáng)，疊加上的壓強(qiáng)稱為聲壓，記作強(qiáng)稱為聲壓，記作P。單位有帕斯卡（。單位有帕斯卡（Pa）和微巴）和微巴（bar）。）。u引起人耳剛能聽到聲音時(shí)的聲壓稱為引起人耳剛能聽到聲音時(shí)的聲壓稱為可聽閾可聽閾u聲波是由能量來維持傳播的。如揚(yáng)聲器紙盆的振動(dòng)是由聲波是由能量來維持傳播的。如

7、揚(yáng)聲器紙盆的振動(dòng)是由電能轉(zhuǎn)換而來，因此聲波有能量。電能轉(zhuǎn)換而來，因此聲波有能量。u單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積內(nèi)的聲單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積內(nèi)的聲波能量為聲場(chǎng)中某點(diǎn)的波能量為聲場(chǎng)中某點(diǎn)的聲強(qiáng)聲強(qiáng)，記作，記作I，單位為瓦米，單位為瓦米2（Wm2）。）。u聲強(qiáng)與聲壓最大值的平方成正比關(guān)系。聲強(qiáng)與聲壓最大值的平方成正比關(guān)系。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心8u在無線電技術(shù)中常引用分貝在無線電技術(shù)中常引用分貝(dB)來表征電壓、電來表征電壓、電流、功率或放大器的放大能力。流、功率或放大器的放大能力。u在聲學(xué)中引用分貝來表示聲壓

8、或聲強(qiáng)的變化程度在聲學(xué)中引用分貝來表示聲壓或聲強(qiáng)的變化程度。因?yàn)槿说穆犛X神經(jīng)的刺激程度不與刺激量大小成因?yàn)槿说穆犛X神經(jīng)的刺激程度不與刺激量大小成正比，而是按刺激量以正比，而是按刺激量以10為底的對(duì)數(shù)增長(zhǎng)為底的對(duì)數(shù)增長(zhǎng) 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心9制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心10動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 u聲音的動(dòng)態(tài)范圍指聲音的最大聲壓級(jí)和最小聲壓級(jí)之間聲音的動(dòng)態(tài)范圍指聲音的最大聲壓級(jí)和最小聲壓級(jí)之間的差值。的差值。u每種聲源的動(dòng)態(tài)范圍依據(jù)各自的特性有所不同。每種聲源的動(dòng)態(tài)范圍依據(jù)各自的特性有所不同。w 如女聲

9、的動(dòng)態(tài)范圍為如女聲的動(dòng)態(tài)范圍為2550dB，w 男聲為男聲為3050dB，w 交響樂隊(duì)的動(dòng)態(tài)范圍大于交響樂隊(duì)的動(dòng)態(tài)范圍大于100dB。u動(dòng)態(tài)范圍不僅用來表示一個(gè)聲源產(chǎn)生的最大聲壓級(jí)與最動(dòng)態(tài)范圍不僅用來表示一個(gè)聲源產(chǎn)生的最大聲壓級(jí)與最小聲壓級(jí)之間的差值，錄音設(shè)備或記錄聲音的載體小聲壓級(jí)之間的差值，錄音設(shè)備或記錄聲音的載體(磁帶、磁帶、光盤、硬盤光盤、硬盤)同樣可用動(dòng)態(tài)范圍表示能夠處理信號(hào)電平的同樣可用動(dòng)態(tài)范圍表示能夠處理信號(hào)電平的范圍。范圍。w 如磁帶的動(dòng)態(tài)范圍為如磁帶的動(dòng)態(tài)范圍為50dB60dB，w CD光盤光盤96dB，w 磁光盤錄放音機(jī)磁光盤錄放音機(jī)105dB。制作：西安交通大學(xué)制作：西安

10、交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心11u動(dòng)態(tài)范圍可以用信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度表示：動(dòng)態(tài)范圍可以用信號(hào)的相對(duì)強(qiáng)度表示：信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍=20lg(信號(hào)的最大強(qiáng)度信號(hào)的最小信號(hào)的最大強(qiáng)度信號(hào)的最小強(qiáng)度強(qiáng)度)(dB)u其中的信號(hào)可以用電壓或功率衡量。其中的信號(hào)可以用電壓或功率衡量。u因?yàn)槭且环N比例關(guān)系，故只要采用相同的度量單因?yàn)槭且环N比例關(guān)系，故只要采用相同的度量單位，其結(jié)果都是一致的。位，其結(jié)果都是一致的。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心12頻譜頻譜 u物體在一定位置的附近作來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，稱為物體在一定位置的附近作來回往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，稱為簡(jiǎn)

11、諧振動(dòng)。簡(jiǎn)諧振動(dòng)。u簡(jiǎn)諧振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定音調(diào)的純音，聽起來感簡(jiǎn)諧振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定音調(diào)的純音，聽起來感覺單薄。覺單薄。u樂器很少產(chǎn)生單一頻率的純音，而是復(fù)音。樂器很少產(chǎn)生單一頻率的純音，而是復(fù)音。u復(fù)音的產(chǎn)生基于物體的復(fù)雜振動(dòng)，可以分解為許復(fù)音的產(chǎn)生基于物體的復(fù)雜振動(dòng)，可以分解為許多不同振幅和不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)多不同振幅和不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)(即看成簡(jiǎn)諧即看成簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加振動(dòng)的疊加)。u簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅按頻率排列的圖形稱為頻譜簡(jiǎn)諧振動(dòng)的振幅按頻率排列的圖形稱為頻譜。頻。頻譜可一目了然地看出復(fù)雜振動(dòng)的頻率結(jié)構(gòu)。譜可一目了然地看出復(fù)雜振動(dòng)的頻率結(jié)構(gòu)。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)

12、實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心13u鋼琴（基頻為鋼琴（基頻為253Hz）的復(fù)音頻譜）的復(fù)音頻譜 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心14（2）聲音的心理學(xué)特性）聲音的心理學(xué)特性 n從聲學(xué)心理角度，聲音的三個(gè)要素是音調(diào)、從聲學(xué)心理角度，聲音的三個(gè)要素是音調(diào)、響度和音色。它們與聲波的頻率、聲壓和頻響度和音色。它們與聲波的頻率、聲壓和頻譜結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。譜結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。n音調(diào)音調(diào)u人對(duì)聲音頻率的感覺表現(xiàn)為音調(diào)的高低，在音樂人對(duì)聲音頻率的感覺表現(xiàn)為音調(diào)的高低，在音樂中稱為音高。音調(diào)與基頻的對(duì)數(shù)（中稱為音高。音調(diào)與基頻的對(duì)數(shù)（20lg）成線）成線性關(guān)系，單位為美（性關(guān)系，單位為美

13、（mei）?；l越低，給人的）。基頻越低，給人的感覺越低沉。基頻頻率增加一倍，音樂上稱提高感覺越低沉?；l頻率增加一倍，音樂上稱提高了一個(gè)八度了一個(gè)八度 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心15頻率與音調(diào)的關(guān)系頻率與音調(diào)的關(guān)系 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心16響度響度 u響度是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺響度是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱的感覺程度程度u雖然響度與衡量聲音強(qiáng)弱的聲雖然響度與衡量聲音強(qiáng)弱的聲壓有一定關(guān)系，但與聲壓的大壓有一定關(guān)系，但與聲壓的大小并不完全一致，也就是說聲小并不完全一致，也就是說聲壓大的感覺不一定響。壓大的

14、感覺不一定響。n 由于人的外耳具有一定的耳道長(zhǎng)度，耳道會(huì)對(duì)某段頻率由于人的外耳具有一定的耳道長(zhǎng)度，耳道會(huì)對(duì)某段頻率產(chǎn)生共鳴，使靈敏度提高。因此人耳聽到聲音的響度與產(chǎn)生共鳴，使靈敏度提高。因此人耳聽到聲音的響度與聲音的頻率有關(guān)。描述響度、聲壓以及聲源頻率之間的聲音的頻率有關(guān)。描述響度、聲壓以及聲源頻率之間的關(guān)系曲線稱為等響度曲線（圖關(guān)系曲線稱為等響度曲線（圖2-4）。）。n 從曲線看出，當(dāng)音量開到使聲壓級(jí)為從曲線看出，當(dāng)音量開到使聲壓級(jí)為80 dB時(shí)，就可做時(shí)，就可做到高低頻聲音豐滿到高低頻聲音豐滿 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心17音色音色n音色又稱

15、音品。通常說法是：聲音的音調(diào)和音色又稱音品。通常說法是：聲音的音調(diào)和響度以外的音質(zhì)差異叫做音色。響度以外的音質(zhì)差異叫做音色。n聲音的音色取決于該聲音的頻譜結(jié)構(gòu)或是頻聲音的音色取決于該聲音的頻譜結(jié)構(gòu)或是頻譜包絡(luò)（聲波曲線）。譜包絡(luò)（聲波曲線）。n高次諧波越豐富高次諧波越豐富,音色就越有明亮感和穿透力。音色就越有明亮感和穿透力。此外，音色還與諸多其他因素有關(guān)，如聽音此外，音色還與諸多其他因素有關(guān)，如聽音條件等。條件等。n它是一個(gè)主觀量，常用柔和、刺耳、飽滿等它是一個(gè)主觀量，常用柔和、刺耳、飽滿等詞描述。詞描述。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心18掩蔽效應(yīng)

16、掩蔽效應(yīng)n稱聽不到的聲音為稱聽不到的聲音為被掩蔽聲被掩蔽聲，而起掩蔽作用的聲音，而起掩蔽作用的聲音為為掩蔽聲掩蔽聲。n掩蔽效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是掩蔽聲的出現(xiàn)使人耳聽覺的等響掩蔽效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是掩蔽聲的出現(xiàn)使人耳聽覺的等響度曲線的最小可聽閾抬高。度曲線的最小可聽閾抬高。n掩蔽效應(yīng)的一般規(guī)律是強(qiáng)音壓低音、低頻率聲音壓掩蔽效應(yīng)的一般規(guī)律是強(qiáng)音壓低音、低頻率聲音壓高頻率。高頻率。n利用掩蔽效應(yīng)可以用有用信號(hào)去掩蔽無用的聲信號(hào)，利用掩蔽效應(yīng)可以用有用信號(hào)去掩蔽無用的聲信號(hào)，只需要把無用聲音的聲壓級(jí)降低到掩蔽閾以下即可。只需要把無用聲音的聲壓級(jí)降低到掩蔽閾以下即可。n在數(shù)字音頻處理中，還可以利用掩蔽效應(yīng)去掉人耳在數(shù)字音

17、頻處理中，還可以利用掩蔽效應(yīng)去掉人耳聽不到的那部分信號(hào)進(jìn)行聲音數(shù)據(jù)的壓縮。聽不到的那部分信號(hào)進(jìn)行聲音數(shù)據(jù)的壓縮。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心19方位感方位感 n人憑借雙耳在一定聲學(xué)環(huán)境內(nèi)能夠?qū)β曉炊ㄎ?，這人憑借雙耳在一定聲學(xué)環(huán)境內(nèi)能夠?qū)β曉炊ㄎ?，這種能力來自于聲源發(fā)出的聲波到達(dá)雙耳間的強(qiáng)度差、種能力來自于聲源發(fā)出的聲波到達(dá)雙耳間的強(qiáng)度差、時(shí)間差以及耳廓時(shí)間差以及耳廓(外耳外耳)的阻擋。的阻擋。n聲源到達(dá)聽者耳朵的聲音有兩個(gè)，其中一個(gè)聲音直聲源到達(dá)聽者耳朵的聲音有兩個(gè)，其中一個(gè)聲音直接到達(dá)，而另一個(gè)由于人頭部遮蔽，需繞過頭部才接到達(dá)，而另一個(gè)由于人

18、頭部遮蔽，需繞過頭部才能到達(dá)。稱前者為直達(dá)聲，而后者為繞射聲。能到達(dá)。稱前者為直達(dá)聲，而后者為繞射聲。n若有兩個(gè)聲源，增大其中一個(gè)聲源的強(qiáng)度，由于該若有兩個(gè)聲源，增大其中一個(gè)聲源的強(qiáng)度，由于該聲音源發(fā)出的直達(dá)聲或繞射聲的聲壓大于另一個(gè)聲聲音源發(fā)出的直達(dá)聲或繞射聲的聲壓大于另一個(gè)聲源，雙耳將會(huì)產(chǎn)生聲壓級(jí)差。使聽者感受的聲源源，雙耳將會(huì)產(chǎn)生聲壓級(jí)差。使聽者感受的聲源（聲像）位置向強(qiáng)度較大的聲源方向移，使人感受（聲像）位置向強(qiáng)度較大的聲源方向移，使人感受到聲音的立體感。到聲音的立體感。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心20空間感空間感 n一個(gè)聲源發(fā)出的聲音同

19、時(shí)向各個(gè)方向散開，其發(fā)散一個(gè)聲源發(fā)出的聲音同時(shí)向各個(gè)方向散開，其發(fā)散的角度取決于聲源所具有的指向性，發(fā)散的聲波有的角度取決于聲源所具有的指向性，發(fā)散的聲波有一小部分直接傳給聽者，而大部分會(huì)被空間表面反一小部分直接傳給聽者，而大部分會(huì)被空間表面反射，然后到達(dá)聽者。由于直接和經(jīng)反射到達(dá)聽者的射，然后到達(dá)聽者。由于直接和經(jīng)反射到達(dá)聽者的兩個(gè)聲音途徑存在差別（取決于環(huán)境）而帶來時(shí)間兩個(gè)聲音途徑存在差別（取決于環(huán)境）而帶來時(shí)間差。當(dāng)時(shí)間差超過一定數(shù)量時(shí)，聽者會(huì)聽到先后到差。當(dāng)時(shí)間差超過一定數(shù)量時(shí)，聽者會(huì)聽到先后到達(dá)的兩個(gè)聲音，從而產(chǎn)生達(dá)的兩個(gè)聲音，從而產(chǎn)生回音回音。經(jīng)多次反射，造成。經(jīng)多次反射，造成余聲

20、余聲。即使聲源已停止發(fā)聲，但聽者仍能聽到聲音。即使聲源已停止發(fā)聲，但聽者仍能聽到聲音存在。存在。n回聲與余音的感覺可使聽者感受出房間體積大小、回聲與余音的感覺可使聽者感受出房間體積大小、房間高低及內(nèi)表面結(jié)構(gòu)上的差異，這便是房間高低及內(nèi)表面結(jié)構(gòu)上的差異，這便是空間感空間感。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心212.音頻信號(hào)的質(zhì)量指標(biāo)音頻信號(hào)的質(zhì)量指標(biāo) n(1) 頻帶寬度頻帶寬度 u音頻信號(hào)所包含的諧波分量越豐富，音色越好。音頻信號(hào)所包含的諧波分量越豐富，音色越好。在廣播通信和數(shù)字音響系統(tǒng)中，以聲音信號(hào)所包在廣播通信和數(shù)字音響系統(tǒng)中，以聲音信號(hào)所包含的諧波

21、分量的頻率范圍來衡量聲音的質(zhì)量，即含的諧波分量的頻率范圍來衡量聲音的質(zhì)量，即帶寬。帶寬。 不同質(zhì)量的聲音的頻帶對(duì)比示意圖不同質(zhì)量的聲音的頻帶對(duì)比示意圖 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心22(2)動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍 n動(dòng)態(tài)范圍越大，說明音頻信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變動(dòng)態(tài)范圍越大，說明音頻信號(hào)強(qiáng)度的相對(duì)變化范圍越大，音響效果越好?；秶酱?，音響效果越好。n動(dòng)態(tài)范圍一般用動(dòng)態(tài)范圍一般用dB為單位來計(jì)量。為單位來計(jì)量。uFM廣播的動(dòng)態(tài)范圍約廣播的動(dòng)態(tài)范圍約60dB，uAM廣播的動(dòng)態(tài)范圍約廣播的動(dòng)態(tài)范圍約40dB。uCDDA的動(dòng)態(tài)范圍約的動(dòng)態(tài)范圍約100dB，u數(shù)字電話約

22、數(shù)字電話約50dB。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心23(3)信噪比信噪比 n信噪比信噪比SNR(Signal Noise Ratio)是有用信號(hào)與噪是有用信號(hào)與噪聲之比的簡(jiǎn)稱，即有用信號(hào)的平均功率與噪聲的平聲之比的簡(jiǎn)稱，即有用信號(hào)的平均功率與噪聲的平均功率之比均功率之比 n信噪比大，在一定程度上能夠掩蔽噪聲，從而獲得信噪比大，在一定程度上能夠掩蔽噪聲，從而獲得較好的聲音效果。較好的聲音效果。n信噪比不僅是聲音設(shè)備的性能指標(biāo)，在聲音的錄制信噪比不僅是聲音設(shè)備的性能指標(biāo)，在聲音的錄制和播放時(shí)，也要注意環(huán)境噪聲。錄制時(shí)應(yīng)盡可能減和播放時(shí)，也要注意環(huán)境噪聲

23、。錄制時(shí)應(yīng)盡可能減小環(huán)境噪音。輸出時(shí)應(yīng)使音量適當(dāng)大，以減少環(huán)境小環(huán)境噪音。輸出時(shí)應(yīng)使音量適當(dāng)大，以減少環(huán)境噪音對(duì)聽音的影響。噪音對(duì)聽音的影響。n一般話筒和音箱的信噪比在一般話筒和音箱的信噪比在75dB以上。聲卡的信以上。聲卡的信噪比在噪比在8595dB。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心2422 數(shù)字音頻數(shù)字音頻 n1.聲音的數(shù)字化聲音的數(shù)字化 u數(shù)字化就是將連續(xù)信號(hào)變成離散信號(hào)。數(shù)字化就是將連續(xù)信號(hào)變成離散信號(hào)。u對(duì)音頻信號(hào)，首先在時(shí)間上離散，取有限個(gè)時(shí)間對(duì)音頻信號(hào)，首先在時(shí)間上離散，取有限個(gè)時(shí)間點(diǎn)，稱為點(diǎn)，稱為采樣采樣。u然后在幅度上離散，取有限個(gè)幅

24、度值，稱為然后在幅度上離散，取有限個(gè)幅度值，稱為量化量化。u再將得到的數(shù)據(jù)表示成計(jì)算機(jī)容易識(shí)別的格式，再將得到的數(shù)據(jù)表示成計(jì)算機(jī)容易識(shí)別的格式，稱為稱為編碼編碼。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心25(1) PCM編碼編碼 nPCM是一種把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的最基本的編碼方是一種把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的最基本的編碼方法，它主要包括采樣、量化和編碼法，它主要包括采樣、量化和編碼3個(gè)過程。個(gè)過程。u采樣采樣是每隔一定的時(shí)間測(cè)量一次聲音信號(hào)的幅值，把時(shí)間連續(xù)的模是每隔一定的時(shí)間測(cè)量一次聲音信號(hào)的幅值，把時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度連續(xù)的采樣信

25、號(hào)。如果采樣的時(shí)間間擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度連續(xù)的采樣信號(hào)。如果采樣的時(shí)間間隔隔相等，這種采樣稱為均勻采樣；相等，這種采樣稱為均勻采樣；u量化量化是按是按“四舍五入四舍五入”或其他方法將采樣得到的數(shù)值限定在幾個(gè)有或其他方法將采樣得到的數(shù)值限定在幾個(gè)有限的數(shù)值中，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號(hào)；限的數(shù)值中，將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散、幅度離散的數(shù)字信號(hào)；u編碼編碼（coding）是將量化后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。比）是將量化后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)二進(jìn)制碼組輸出。比如，量化得到的數(shù)據(jù)中只會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值如，量化得到的數(shù)據(jù)中只會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)值51和和80，則只用一位二進(jìn)，則只用一位二進(jìn)

26、制的數(shù)表示即可，用制的數(shù)表示即可，用0表示表示51，用，用1表示表示80。若量化級(jí)別為。若量化級(jí)別為256（有（有256級(jí)量化數(shù)據(jù)），則可用級(jí)量化數(shù)據(jù)），則可用8位二進(jìn)制數(shù)表示，這種編碼方法稱為位二進(jìn)制數(shù)表示，這種編碼方法稱為自自然編碼然編碼。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心26模擬聲音信號(hào)的采樣和量化過程示意模擬聲音信號(hào)的采樣和量化過程示意 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心27n例例2.1 設(shè)一個(gè)連續(xù)信號(hào)的波形可以表示為設(shè)一個(gè)連續(xù)信號(hào)的波形可以表示為 n設(shè)采樣頻率為設(shè)采樣頻率為21Hz，-10，10內(nèi)的量化間

27、隔取為內(nèi)的量化間隔取為1，試計(jì)算出該信號(hào)試計(jì)算出該信號(hào)0到到1秒內(nèi)的量化數(shù)據(jù)秒內(nèi)的量化數(shù)據(jù)(p24)。u對(duì)于對(duì)于CDDA，采樣頻率為，采樣頻率為44.1kHz，即每秒取，即每秒取44100個(gè)個(gè)點(diǎn)。幅度的取值范圍是限制在點(diǎn)。幅度的取值范圍是限制在216=65 536以內(nèi)，量化間以內(nèi)，量化間隔為隔為1，即量化幅度可以取，即量化幅度可以取65 536個(gè)不同的值，計(jì)算機(jī)中個(gè)不同的值，計(jì)算機(jī)中用用16位的存儲(chǔ)空間就可以表示一個(gè)量化后的數(shù)值。動(dòng)態(tài)位的存儲(chǔ)空間就可以表示一個(gè)量化后的數(shù)值。動(dòng)態(tài)范圍為范圍為201g(216)96dB。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心28

28、PCM編碼原理編碼原理 n編碼的過程首先用一組脈沖采樣時(shí)鐘信號(hào)與輸入的編碼的過程首先用一組脈沖采樣時(shí)鐘信號(hào)與輸入的模擬音頻信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果就是離散時(shí)間信號(hào)，模擬音頻信號(hào)相乘，相乘的結(jié)果就是離散時(shí)間信號(hào)，然后對(duì)采樣后的信號(hào)幅值進(jìn)行量化。然后對(duì)采樣后的信號(hào)幅值進(jìn)行量化。n量化過程由量化器來完成。對(duì)經(jīng)量化器量化過程由量化器來完成。對(duì)經(jīng)量化器AD（模（模/數(shù)）變換后的信號(hào)再進(jìn)行編碼，即把量化的信號(hào)電數(shù)）變換后的信號(hào)再進(jìn)行編碼，即把量化的信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組，就得到了離散的二進(jìn)制數(shù)據(jù)平轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼組，就得到了離散的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列序列x(n)，n計(jì)算機(jī)對(duì)量化后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以用文件的形式存計(jì)算機(jī)

29、對(duì)量化后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以用文件的形式存儲(chǔ)、編輯和處理，并可還原成原始的模擬信號(hào)播放。儲(chǔ)、編輯和處理，并可還原成原始的模擬信號(hào)播放。還原的過程稱為解碼，它是還原的過程稱為解碼，它是AD變換的逆過程，變換的逆過程，即即DA(數(shù)數(shù)/模模)變換變換 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心29PCM編碼示意圖編碼示意圖 PCM編碼示意圖編碼示意圖 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心30(2)均勻量化和分均勻量化均勻量化和分均勻量化 u量化時(shí)，如果采用相等的量化間隔對(duì)采樣得到的量化時(shí)，如果采用相等的量化間隔對(duì)采樣得到的信號(hào)作量化，

30、那么這種量化稱為信號(hào)作量化，那么這種量化稱為均勻量化均勻量化。均勻。均勻量化采用相同的量化采用相同的“等分尺等分尺”來度量采樣得到的幅來度量采樣得到的幅度，也稱為度，也稱為線性量化線性量化.缺點(diǎn)缺點(diǎn):不能充分利用為不能充分利用為適應(yīng)幅度大的輸適應(yīng)幅度大的輸入信號(hào)，增加的入信號(hào)，增加的樣本的位數(shù)樣本的位數(shù).制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心31u非線性量化的思想是大的輸入信號(hào)采用大的量化非線性量化的思想是大的輸入信號(hào)采用大的量化間隔，小的輸入信號(hào)采用小的量化間隔，間隔，小的輸入信號(hào)采用小的量化間隔，u這樣就可以在滿足精度要求的情況下用較少的位這樣就可以在滿

31、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(shí)，采用相同的規(guī)則。數(shù)來表示。聲音數(shù)據(jù)還原時(shí)，采用相同的規(guī)則。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心32(3) 律壓擴(kuò)律壓擴(kuò) n律律(-Law)壓擴(kuò)主要用在北美和日本等地區(qū)壓擴(kuò)主要用在北美和日本等地區(qū)的數(shù)字電話通信中，按下面的式子確定量化的數(shù)字電話通信中，按下面的式子確定量化輸入和輸出的關(guān)系輸入和輸出的關(guān)系 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心33(4) A律律(A-Law)nA律律(A-Law)壓擴(kuò)主要用在歐洲和中國(guó)大陸等壓擴(kuò)主要用在歐洲和中國(guó)大陸等地區(qū)的數(shù)字電話通信中

32、，按下面的式子確定地區(qū)的數(shù)字電話通信中，按下面的式子確定量化輸入和輸出的關(guān)系量化輸入和輸出的關(guān)系 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心34n對(duì)于采樣頻率為對(duì)于采樣頻率為8kHz，樣本精度為，樣本精度為13位、位、14位或者位或者16位的輸入信號(hào)，使用位的輸入信號(hào)，使用律壓擴(kuò)編碼律壓擴(kuò)編碼或者使用或者使用A律壓擴(kuò)編碼，經(jīng)過律壓擴(kuò)編碼，經(jīng)過PCM編碼器之編碼器之后每個(gè)樣本需后每個(gè)樣本需8位二進(jìn)制存儲(chǔ)，輸出的數(shù)據(jù)率位二進(jìn)制存儲(chǔ)，輸出的數(shù)據(jù)率為為64 kb/s。這個(gè)數(shù)據(jù)就是。這個(gè)數(shù)據(jù)就是CCITT推薦的推薦的G.711標(biāo)準(zhǔn)：話音頻率脈沖編碼調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)：話音頻率脈沖編

33、碼調(diào)制 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心352.數(shù)字音頻的技術(shù)指標(biāo)數(shù)字音頻的技術(shù)指標(biāo) n(1) 采樣頻率采樣頻率u采樣頻率是指一秒鐘采樣的次數(shù)。采樣頻率越高，采樣頻率是指一秒鐘采樣的次數(shù)。采樣頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)采集的樣本數(shù)越多，得到波形越接近單位時(shí)間內(nèi)采集的樣本數(shù)越多，得到波形越接近于原始波形，音質(zhì)就越好。于原始波形，音質(zhì)就越好。 u根據(jù)奈奎斯特根據(jù)奈奎斯特(Harry Nyquist)采樣理論：采樣理論：如果采如果采樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，重放時(shí)就樣頻率高于輸入信號(hào)最高頻率的兩倍，重放時(shí)就能從采樣信號(hào)序列無失真地重構(gòu)原始信號(hào)能從采樣信號(hào)序

34、列無失真地重構(gòu)原始信號(hào)。例如，例如，電話話音的信號(hào)頻率約為電話話音的信號(hào)頻率約為3.4 kHz，若采樣頻率，若采樣頻率選為選為8kHz，就能無失真地重放原始聲音。，就能無失真地重放原始聲音。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心36n采樣的采樣的3個(gè)常用頻率分別為個(gè)常用頻率分別為u11.025kHzAM廣播廣播u22.05kHz FM廣播廣播u44.1kHz CD高保真音質(zhì)聲音高保真音質(zhì)聲音n現(xiàn)在聲卡的采樣頻率一般為現(xiàn)在聲卡的采樣頻率一般為48kHz甚至甚至96kHz。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心37（2）采樣

35、精度采樣精度 n采樣精度用每個(gè)聲音樣本的位數(shù)表示，也叫采樣精度用每個(gè)聲音樣本的位數(shù)表示，也叫樣本精樣本精度度或或量化位數(shù)量化位數(shù)。它反映度量聲音波形幅度的精度。它反映度量聲音波形幅度的精度。u例如，每個(gè)聲音樣本用例如，每個(gè)聲音樣本用16位表示，則量化樣本值在位表示，則量化樣本值在065535的整數(shù)范圍內(nèi)，它的精度是輸入信號(hào)的的整數(shù)范圍內(nèi)，它的精度是輸入信號(hào)的1/65536 n采樣精度決定了模擬信號(hào)數(shù)字化以后的動(dòng)態(tài)范圍采樣精度決定了模擬信號(hào)數(shù)字化以后的動(dòng)態(tài)范圍。u若以若以8位量化，則其波形的幅值可分為位量化，則其波形的幅值可分為28=256等份，等效等份，等效的動(dòng)態(tài)范圍為的動(dòng)態(tài)范圍為20lg(2

36、56)=48dB。若以。若以16位采樣，則可位采樣，則可分為分為216=65536等份，等效動(dòng)態(tài)范圍為等份，等效動(dòng)態(tài)范圍為20lg(65536)=96dB。n采樣精度影響到聲音的質(zhì)量采樣精度影響到聲音的質(zhì)量u位數(shù)越多，聲音的質(zhì)量越高，而需要的存儲(chǔ)空間也越多；位數(shù)越多，聲音的質(zhì)量越高，而需要的存儲(chǔ)空間也越多；位數(shù)越少，聲音的質(zhì)量越低，需要的存儲(chǔ)空間越少。位數(shù)越少，聲音的質(zhì)量越低，需要的存儲(chǔ)空間越少。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心38（3）聲道數(shù)）聲道數(shù) u單聲道單聲道(mono)信號(hào)一次產(chǎn)生一組聲波數(shù)據(jù)。如果一次產(chǎn)信號(hào)一次產(chǎn)生一組聲波數(shù)據(jù)。如果一次產(chǎn)生

37、兩組聲波數(shù)據(jù)，則稱其為雙聲道或立體聲生兩組聲波數(shù)據(jù)，則稱其為雙聲道或立體聲(stereo)。u雙聲道在硬件中占兩條線路，一條是左聲道，一條是右雙聲道在硬件中占兩條線路，一條是左聲道，一條是右聲道。聲道。u立體聲不僅音質(zhì)、音色好，而且能產(chǎn)生逼真的空間感。立體聲不僅音質(zhì)、音色好，而且能產(chǎn)生逼真的空間感。但立體聲數(shù)字化后所占空間比單聲道多一倍。但立體聲數(shù)字化后所占空間比單聲道多一倍。u除采樣頻率、采樣精度、聲道數(shù)影響聲音質(zhì)量外，聲音除采樣頻率、采樣精度、聲道數(shù)影響聲音質(zhì)量外，聲音錄制時(shí)環(huán)境噪聲、聲卡內(nèi)部噪聲以及采樣數(shù)據(jù)丟失等都錄制時(shí)環(huán)境噪聲、聲卡內(nèi)部噪聲以及采樣數(shù)據(jù)丟失等都會(huì)造成聲音質(zhì)量的下降。實(shí)際

38、收聽時(shí)，音響（功率放大會(huì)造成聲音質(zhì)量的下降。實(shí)際收聽時(shí)，音響（功率放大器、揚(yáng)聲器等）的質(zhì)量對(duì)音質(zhì)的表現(xiàn)也起很大作用器、揚(yáng)聲器等）的質(zhì)量對(duì)音質(zhì)的表現(xiàn)也起很大作用制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心39（4）音頻數(shù)據(jù)傳輸率）音頻數(shù)據(jù)傳輸率 u音頻信號(hào)數(shù)字化后，產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)音頻信號(hào)數(shù)字化后，產(chǎn)生大量數(shù)據(jù) u產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度或播放聲音時(shí)需要傳輸數(shù)據(jù)的速產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度或播放聲音時(shí)需要傳輸數(shù)據(jù)的速度影響聲音的播放質(zhì)量。數(shù)據(jù)傳輸率用每秒鐘傳度影響聲音的播放質(zhì)量。數(shù)據(jù)傳輸率用每秒鐘傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)表示，記為輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)表示，記為bps（bit per second）。）。未經(jīng)

39、壓縮的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸率為未經(jīng)壓縮的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)傳輸率為: w數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率(bits)=采樣頻率采樣頻率(Hz)量化位數(shù)量化位數(shù)(bit)聲道數(shù)聲道數(shù) 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心40聲音質(zhì)量和數(shù)字化指標(biāo)聲音質(zhì)量和數(shù)字化指標(biāo) 質(zhì)量質(zhì)量采樣頻率采樣頻率(kHz)樣本精度樣本精度(bit)單道聲單道聲/立體聲立體聲數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)率(kB/s)(未壓縮未壓縮)頻率范圍頻率范圍電話電話*88單道聲單道聲82003 400 HzAM11.0258單道聲單道聲11.0507 000HzFM22.05016立體聲立體聲88.22015 000HzCD44.1

40、16立體聲立體聲176.42020 000 HzDAT4816立體聲立體聲192.02020 000 Hz制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心41n例例2.22.2 高保真立體聲數(shù)字音頻的量化位數(shù)為高保真立體聲數(shù)字音頻的量化位數(shù)為1616，試計(jì)算其，試計(jì)算其數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 u解：高保真立體聲數(shù)字音頻采樣頻率為解：高保真立體聲數(shù)字音頻采樣頻率為44.1kHz44.1kHz，雙聲道，其數(shù)據(jù)傳輸率為雙聲道，其數(shù)據(jù)傳輸率為 u數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率=44.1(kHz)=44.1(kHz)16(bit)16(bit)2(channel)=1411.2(kbps)

41、2(channel)=1411.2(kbps) n如果采用如果采用PCMPCM編碼，數(shù)字音頻文件所占用的空編碼，數(shù)字音頻文件所占用的空間可用如下的公式計(jì)算間可用如下的公式計(jì)算( (數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)量) )： u音頻數(shù)據(jù)量（音頻數(shù)據(jù)量（ByteByte）= =數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率持續(xù)時(shí)間持續(xù)時(shí)間8(bit/Byte)8(bit/Byte) n其中數(shù)據(jù)量以字節(jié)其中數(shù)據(jù)量以字節(jié)(Byte)(Byte)為單位；數(shù)據(jù)傳輸率以每秒比特為單位；數(shù)據(jù)傳輸率以每秒比特(bps)(bps)為單位；持續(xù)時(shí)間以秒為單位；持續(xù)時(shí)間以秒(s)(s)為單位。為單位。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)

42、教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心42n例例2.32.3 計(jì)算計(jì)算1 1分鐘未經(jīng)壓縮的高保真立體聲數(shù)分鐘未經(jīng)壓縮的高保真立體聲數(shù)字聲音文件的大小。字聲音文件的大小。 u解：高保真立體聲數(shù)字音頻采樣頻率為解：高保真立體聲數(shù)字音頻采樣頻率為44.1kHz44.1kHz，1616位量化，雙聲道，其數(shù)據(jù)傳輸率為：位量化，雙聲道，其數(shù)據(jù)傳輸率為： u數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率=44.1(kHz)=44.1(kHz)16(bit)16(bit)2(channel)=1411.2(kbps)2(channel)=1411.2(kbps) u1 1分鐘這樣的聲音文件的大小為分鐘這樣的聲音文件的大小為 u音頻數(shù)據(jù)量音頻數(shù)據(jù)量=1411.2

43、=1411.2（kb/skb/s）6060（s s）/8(bit/Byte)=10458kB/8(bit/Byte)=10458kBn未經(jīng)壓縮的未經(jīng)壓縮的4 4分鐘的歌曲文件約分鐘的歌曲文件約42M42M數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)，128M128M的的MP3MP3播放器只能存放播放器只能存放3 3首這樣的歌曲首這樣的歌曲 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心43（5）編碼）編碼算法與音頻數(shù)據(jù)壓縮比算法與音頻數(shù)據(jù)壓縮比 u未壓縮的音頻數(shù)據(jù)量非常大，因此在編碼的時(shí)候未壓縮的音頻數(shù)據(jù)量非常大，因此在編碼的時(shí)候常常要采用壓縮的方式。常常要采用壓縮的方式。u實(shí)際上，編碼的作用一是記

44、錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，二是采實(shí)際上，編碼的作用一是記錄數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，二是采用一定的算法來壓縮數(shù)據(jù)以減少存儲(chǔ)空間和提高用一定的算法來壓縮數(shù)據(jù)以減少存儲(chǔ)空間和提高傳輸效率。傳輸效率。u壓縮編碼的基本指標(biāo)之一就是壓縮比，一般為數(shù)壓縮編碼的基本指標(biāo)之一就是壓縮比，一般為數(shù)據(jù)壓縮前后的數(shù)據(jù)量之比據(jù)壓縮前后的數(shù)據(jù)量之比制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心44n采用不同的數(shù)字化指標(biāo)實(shí)際上也是進(jìn)行了不同比例采用不同的數(shù)字化指標(biāo)實(shí)際上也是進(jìn)行了不同比例的數(shù)據(jù)壓縮。的數(shù)據(jù)壓縮。u如果如果PCMPCM編碼采用編碼采用4bit4bit量化對(duì)量化對(duì)CDCD音質(zhì)信號(hào)壓縮，其壓縮比音質(zhì)信號(hào)壓縮，其壓

45、縮比為為4:14:1。這種情況下，用來記錄幅值的比特位越少，編碼。這種情況下，用來記錄幅值的比特位越少，編碼后數(shù)據(jù)量就越小，壓縮比越后數(shù)據(jù)量就越小，壓縮比越大大。但壓縮比越。但壓縮比越大大，丟掉的，丟掉的信息就會(huì)越多，信號(hào)還原后失真就越大。信息就會(huì)越多，信號(hào)還原后失真就越大。( (對(duì)有損壓縮對(duì)有損壓縮) )n壓縮算法包括有損壓縮和無損壓縮；壓縮算法包括有損壓縮和無損壓縮；u有損壓縮有損壓縮解壓后數(shù)據(jù)不能完全復(fù)原，要丟失一部分信息。解壓后數(shù)據(jù)不能完全復(fù)原，要丟失一部分信息。u無損壓縮無損壓縮不丟失任何信息，能較好地復(fù)原原始信號(hào)不丟失任何信息，能較好地復(fù)原原始信號(hào)制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大

46、學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心453.3.數(shù)字音頻文件格式數(shù)字音頻文件格式 n數(shù)字聲音文件格式是數(shù)字音頻在磁盤文件中的存放數(shù)字聲音文件格式是數(shù)字音頻在磁盤文件中的存放形式，相同的數(shù)據(jù)可以有不同的文件格式，而不同形式，相同的數(shù)據(jù)可以有不同的文件格式，而不同的數(shù)據(jù)也可以有相同的文件格式的數(shù)據(jù)也可以有相同的文件格式.u(1) WAVEWAVE文件格式文件格式 w WAVEWAVE文件是一種通用的音頻數(shù)據(jù)文件，文件擴(kuò)展名為文件是一種通用的音頻數(shù)據(jù)文件，文件擴(kuò)展名為“WAV”WAV”，WindowsWindows系統(tǒng)和一般的音頻卡都支持這種格式文件的生成、編輯系統(tǒng)和一般的音頻卡都支持這種格式文

47、件的生成、編輯和播放。和播放。w WAVEWAVE文件由三部分文件由三部分組成組成：文件頭文件頭( (標(biāo)明是標(biāo)明是WAVEWAVE文件、文件結(jié)構(gòu)和文件、文件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)) )、數(shù)字化參數(shù)數(shù)字化參數(shù)( (如采樣率、聲道數(shù)、編碼算法如采樣率、聲道數(shù)、編碼算法等等) )，最后是，最后是實(shí)際波形數(shù)據(jù)實(shí)際波形數(shù)據(jù)。CDCD激光唱盤中包含的就是激光唱盤中包含的就是WAVEWAVE格式格式的波形數(shù)據(jù)，只是擴(kuò)展名沒寫成的波形數(shù)據(jù)，只是擴(kuò)展名沒寫成“.WAV”.WAV”。一般說來，聲音質(zhì)量。一般說來，聲音質(zhì)量與其與其WAVEWAVE格式的文件大小成正比。格式的文件大小成正比。w WAVEW

48、AVE文件的文件的特點(diǎn)特點(diǎn)是易于生成和編輯，但在保證一定音質(zhì)的前提下是易于生成和編輯，但在保證一定音質(zhì)的前提下壓縮比不夠，不適合在網(wǎng)絡(luò)上播放壓縮比不夠，不適合在網(wǎng)絡(luò)上播放 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心46(2) MP3MP3文件文件uMP3MP3文件是采用文件是采用MP3MP3算法壓縮生成的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)文件，算法壓縮生成的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)文件，以以“.MP3”.MP3”為文件后綴。為文件后綴。uMP3MP3利用利用MPEGMPEG（Motion Picture Expert GroupMotion Picture Expert Group，運(yùn)動(dòng)圖，運(yùn)動(dòng)

49、圖像專家組）制定的像專家組）制定的MPEG-1 Audio layer 3MPEG-1 Audio layer 3的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，將音頻信息用將音頻信息用10:110:1甚至甚至12:112:1的壓縮率，變成容量較小的的壓縮率，變成容量較小的數(shù)據(jù)文件。數(shù)據(jù)文件。uMPEG1MPEG1壓縮主要用于壓縮主要用于VCDVCD數(shù)據(jù)的壓縮，也用來壓縮不包數(shù)據(jù)的壓縮，也用來壓縮不包含圖像的純音頻數(shù)據(jù)，音頻壓縮算法包括含圖像的純音頻數(shù)據(jù)，音頻壓縮算法包括MPEG Audio MPEG Audio Layer1Layer1、MPEG Audio Layer2MPEG Audio Layer2等，而等，

50、而MPEG Audio Layer3MPEG Audio Layer3有很高的壓縮比。有很高的壓縮比。u雖然雖然MP3MP3是一種利用了人類心理聲學(xué)特性的有損壓縮，人是一種利用了人類心理聲學(xué)特性的有損壓縮，人耳基本不能分辨出失真，音質(zhì)幾乎達(dá)到了耳基本不能分辨出失真，音質(zhì)幾乎達(dá)到了CDCD音質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。音質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。按照這種算法，按照這種算法，1010張張CDDACDDA的內(nèi)容可以壓縮到的內(nèi)容可以壓縮到l l張張CDCDROMROM中，而且視聽效果相當(dāng)好。中，而且視聽效果相當(dāng)好。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心47(3) RARA文件文件 nReal Audi

51、oReal Audio是是Real networksReal networks推出的一種音樂推出的一種音樂壓縮格式壓縮格式, ,它的壓縮比可達(dá)到它的壓縮比可達(dá)到96:196:1，因此在網(wǎng)，因此在網(wǎng)上比較流行。經(jīng)過壓縮的音樂文件可以在通上比較流行。經(jīng)過壓縮的音樂文件可以在通過速率為過速率為14.4kb14.4kbs s的的MODEMMODEM上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)中上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)中流暢回放。其最大特點(diǎn)是可以采用流媒體的流暢回放。其最大特點(diǎn)是可以采用流媒體的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)時(shí)播放，即邊下載邊播放。方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)時(shí)播放，即邊下載邊播放。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心4

52、82.32.3電子合成音樂電子合成音樂 n在多媒體系統(tǒng)中，除了用數(shù)字音頻的方式以在多媒體系統(tǒng)中，除了用數(shù)字音頻的方式以外，還可以用合成的方式產(chǎn)生音樂外，還可以用合成的方式產(chǎn)生音樂.n音樂合成的方式根據(jù)一定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用音樂合成的方式根據(jù)一定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，使用音樂符號(hào)來記錄和解釋樂譜，并組合成相應(yīng)音樂符號(hào)來記錄和解釋樂譜，并組合成相應(yīng)的音樂信號(hào)，這就是的音樂信號(hào)，這就是MIDI(Musical MIDI(Musical Instrument Digital Interface Instrument Digital Interface 樂器數(shù)字接樂器數(shù)字接口口) )。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安

53、交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心491.1.電子合成音樂的有關(guān)概念電子合成音樂的有關(guān)概念 nMIDIMIDI不是把音樂的波形進(jìn)行數(shù)字化采樣和編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以命碼，而是將數(shù)字式電子樂器的彈奏過程以命令符號(hào)的形式記錄下來，如按了哪一個(gè)鍵、令符號(hào)的形式記錄下來，如按了哪一個(gè)鍵、力度多大、時(shí)間多長(zhǎng)等。當(dāng)需要播放這首樂力度多大、時(shí)間多長(zhǎng)等。當(dāng)需要播放這首樂曲時(shí)，根據(jù)記錄的樂譜指令，通過音樂合成曲時(shí)，根據(jù)記錄的樂譜指令，通過音樂合成器生成音樂聲波，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器播出。器生成音樂聲波，經(jīng)放大后由揚(yáng)聲器播出。 制作：西安交通大學(xué)制作：西安

54、交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心50n(1)MIDI(1)MIDI電子樂器電子樂器u它是能產(chǎn)生特定聲音的合成器，如電子鍵盤、吉他、薩克斯管等；它是能產(chǎn)生特定聲音的合成器，如電子鍵盤、吉他、薩克斯管等；它們相互間的數(shù)據(jù)傳送符合它們相互間的數(shù)據(jù)傳送符合MIDIMIDI的通信約定。的通信約定。n(2)MIDI(2)MIDI消息消息(message)(message)或指令或指令uMIDIMIDI軟件通信協(xié)議，實(shí)際上是用數(shù)字指令描述的音樂樂譜，其中包軟件通信協(xié)議，實(shí)際上是用數(shù)字指令描述的音樂樂譜，其中包含音符、強(qiáng)度、定時(shí)及樂器的指派等。含音符、強(qiáng)度、定時(shí)及樂器的指派等。n(3)MIDI(

55、3)MIDI接口接口(interface)(interface)uMIDIMIDI硬件通信協(xié)議，可使電子樂器互連或與計(jì)算機(jī)硬件端口相連，硬件通信協(xié)議，可使電子樂器互連或與計(jì)算機(jī)硬件端口相連，可發(fā)送和接收可發(fā)送和接收MIDIMIDI消息。消息。n(4)MIDI(4)MIDI通道通道(channel)(channel)uMIDIMIDI標(biāo)準(zhǔn)提供了標(biāo)準(zhǔn)提供了1616個(gè)通道，每種通道對(duì)應(yīng)一種邏輯的合成器，即對(duì)個(gè)通道，每種通道對(duì)應(yīng)一種邏輯的合成器，即對(duì)應(yīng)一種樂器的合成。應(yīng)一種樂器的合成。n(5)(5)音序器音序器(sequencer)(sequencer)u它指可用來記錄、編輯和播放它指可用來記錄、編輯

56、和播放MIDIMIDI文件的計(jì)算機(jī)程序。文件的計(jì)算機(jī)程序。制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心512.2.電腦合成音樂的制作原理電腦合成音樂的制作原理 n電腦合成音樂需要使用電腦合成音樂需要使用MIDIMIDI語言。語言。MIDIMIDI語言利用字語言利用字節(jié)傳送來告知相應(yīng)的設(shè)備能夠做什么和不能做什么。節(jié)傳送來告知相應(yīng)的設(shè)備能夠做什么和不能做什么。MIDIMIDI字節(jié)通知樂器、聲卡和其他字節(jié)通知樂器、聲卡和其他MIDIMIDI設(shè)備什么時(shí)候設(shè)備什么時(shí)候開始和什么時(shí)候結(jié)束演奏音符開始和什么時(shí)候結(jié)束演奏音符 .nMIDIMIDI自身并不產(chǎn)生和傳送聲音，只是傳送產(chǎn)

57、生聲音自身并不產(chǎn)生和傳送聲音，只是傳送產(chǎn)生聲音的控制符號(hào)的控制符號(hào). .n使用使用MIDIMIDI語言的設(shè)備（語言的設(shè)備（MIDIMIDI設(shè)備）可以互聯(lián)。典型設(shè)備）可以互聯(lián)。典型設(shè)備是合成器或者設(shè)備是合成器或者M(jìn)IDIMIDI控制鍵盤，也可以是外掛式控制鍵盤，也可以是外掛式音響效果單元、計(jì)算機(jī)、配備有音響效果單元、計(jì)算機(jī)、配備有MIDIMIDI接口的吉他等接口的吉他等 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心52(1) MIDIMIDI音樂的產(chǎn)生過程音樂的產(chǎn)生過程 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心53(2) MIDIM

58、IDI通道通道 n當(dāng)當(dāng)MIDIMIDI設(shè)備交流信息時(shí)，需要遵循一定的事件序列。設(shè)備交流信息時(shí)，需要遵循一定的事件序列。例如，兩個(gè)例如，兩個(gè)MIDIMIDI設(shè)備在建立連接之后首先要做的事設(shè)備在建立連接之后首先要做的事情就是在使用相同的情就是在使用相同的MIDIMIDI通道方面達(dá)成一致。通道方面達(dá)成一致。MIDIMIDI可以在可以在1616個(gè)這樣的通道上進(jìn)行操作，這些通道用數(shù)個(gè)這樣的通道上進(jìn)行操作，這些通道用數(shù)字分別標(biāo)記為字分別標(biāo)記為0 01515。只要兩個(gè)。只要兩個(gè)MIDIMIDI設(shè)備進(jìn)行交流，設(shè)備進(jìn)行交流，就必須使用相同的通道。對(duì)電腦合成音樂，就必須使用相同的通道。對(duì)電腦合成音樂，每個(gè)邏每個(gè)邏

59、輯通道可指定一種樂器，音樂鍵盤可設(shè)置在這輯通道可指定一種樂器，音樂鍵盤可設(shè)置在這1616個(gè)個(gè)通道之中的任何一個(gè)，而通道之中的任何一個(gè)，而MIDIMIDI聲源或者聲音模塊可聲源或者聲音模塊可被設(shè)置在指定的被設(shè)置在指定的MIDIMIDI通道上接收通道上接收 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心54(3) MIDIMIDI接口和計(jì)算機(jī)的連接接口和計(jì)算機(jī)的連接 nMIDIMIDI接口由三個(gè)端口組成：輸入端口接口由三個(gè)端口組成：輸入端口(In)(In)、輸出端口輸出端口(0ut)(0ut)和直達(dá)端口和直達(dá)端口(Thru)(Thru) u直達(dá)端口對(duì)直達(dá)端口對(duì)MIDIM

60、IDI數(shù)據(jù)只是進(jìn)行簡(jiǎn)單傳輸，來自直數(shù)據(jù)只是進(jìn)行簡(jiǎn)單傳輸，來自直達(dá)端口的數(shù)據(jù)僅僅是來自輸入端口數(shù)據(jù)的拷貝，達(dá)端口的數(shù)據(jù)僅僅是來自輸入端口數(shù)據(jù)的拷貝，在離開直達(dá)端口前數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生任何的改變?cè)陔x開直達(dá)端口前數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生任何的改變 制作：西安交通大學(xué)制作：西安交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心計(jì)算機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心554.MIDI4.MIDI音樂合成器音樂合成器 nMIDIMIDI指令送到合成器，由合成器指令送到合成器，由合成器(synthesizer)(synthesizer)產(chǎn)產(chǎn)生相應(yīng)的聲音。同樣的樂譜如選擇不同的樂器播放，生相應(yīng)的聲音。同樣的樂譜如選擇不同的樂器播放，會(huì)聽到不同的音色會(huì)聽到不同的音色 nM