多媒体音频信号处理.ppt

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1、第4章多媒体音频信号处理4.1音频信号概述4.2音频信号的获取与处理4.3话音信号的参数编码4.4乐器数字接口MIDI4.5声卡概述4.1音频信号概述4.1.1信号的描述及分类1.确定信号及随机信号能够用一确定的时间函数来表示的信号就是确定信号。这种信号对应某一时刻都有一个确定的信号值。有一些信号具有不可预知的不确定性，这种信号就是随机信号。我们将要研究的音频信号、视频信号以至计算机中的数字信号均为确定信号。2.周期信号与非周期信号按一定时间间隔周而复始重复的信号就是周期信号，而在时间上不具有周而复始的重复特性的信号就是非周期信号。3.连续信号与离散信号信

2、号随时间的取值是连续的，这样的信号就是连续信号。如果信号在时间上的取值是离散的，则这种信号就称为离散信号。可见，离散信号在时间上是离散的，但信号在幅度上可以是连续的，也可以是离散的。4.模拟信号与数字信号如果信号在时间上和幅度上都是连续的，那么这样的信号就是模拟信号。模拟信号以一定时间间隔取值，则可获得离散信号，又称之为采样信号。若将离散信号进行二进制编码，以二进制编码来表示离散值的幅度，那么这种二进制编码信号叫做数字信号。在本书后面的讨论中可以看到，话筒或摄像机产生的信号为模拟信号。模拟信号经过采样可获得离散信号，离散信号经A/D转换变成二进制的数字信号

3、，数字信号就可以由计算机直接进行处理了。模拟信号、离散信号与二进制编码的数字信号之间的关系表示在图4-1上。图4-1模拟信号、离散信号及数字信号图4-1中，用连续变化的曲线表示模拟信号；用圆点表示以相等时间间隔取值而得到的离散信号；图4-1的纵坐标上标的是幅度的二进制编码值。4.1.2采样定理及信号重构1.采样定理设输入信号是带宽有限的信号，最高信号频率为fm，则从采样得到信号序列(离散信号)重构(复现)连续信号的条件是采样频率fs≥2fm，否则，将产生混迭效应，而使信号失真。频率2fm称为奈奎斯特(Nyquist)频率fq，fq=2fm。时域信号与它的傅

4、立叶变换频谱密度如图4-2所示。图4-2时域信号及其频谱密度2.信号重构设时域信号为x(t)，对应的频谱密度为X(f)，若时域采样脉冲序列为是等间隔(T)的单位脉冲序列，由信号理论可知对应的频谱为是一个等间隔(fs)频域冲激序列。其中T是时域采样序列的周期，即采样频率可以写出时域采样序列的表达式，即x*(t)就是x(t)在t=nT处的离散序列。由卷积定理，时域的乘积对应频域的卷积，即因为是一个冲激序列，卷积的结果相当于X(f)搬移至序列出现的地方，从而成为周期函数。x(t)在时域的采样与X(f)在频域卷积(搬移)的关系如图4-3所示。图4-3时域采样与频域

5、卷积可见，若fs=1/T不是足够大，采样以后对应的频谱就会产生混迭，用矩形(带通)滤波器滤波所得的主频谱就会失真，恢复到时域以后，时域连续信号也将失真。因此，采样频率fs必须满足采样定理的要求，即fs≥2fm。图4-4音频信号的带宽4.2音频信号的获取与处理4.2.1音频信号1.常见音频信号常见的音频信号主要有电话音频信号、调频、调幅无线电广播音频信号和高保真数字的立体声音频信号。由于用途不同，这些音频信号频带宽度也各不相同，而且，在音响设备中，通常以音频信号的带宽来衡量声音的质量。图4-4中表示了这4种常见音频信号的带宽。图4-4表示了人们公认的音频信号

6、的质量标准。其中，等级最高的是激光唱盘的音频信号；其次是调频无线电广播，调幅无线电广播；最低的是电话话音的频带，从0.2kHz到3.4kHz，带宽只有3.2kHz。2.声音的特性1)声音的波动性任何物体的振动通过空气的传播都会形成连续或间断的波动，这种波动引起人的耳膜的振动，变为人的听觉。因此，声音是一种连续或间断的波动。2)声音的三要素音调、音强和音色称为声音的三要素。其中，音调与声波的频率相关，频率高则音调高，频率低则音调低。音调高时声音尖锐，俗称高音；音调低时声音沉闷，俗称低音。人的耳朵对于声音的感知频率范围为20Hz～20kHz之间。低于20Hz的

7、声波为次声波，高于20kHz的声波称为超声波。音强取决于声波的幅度，振幅高时音强强，振幅低时音强弱。音色则由叠加在声音基波上的谐波所决定，一个声波上的谐波越丰富，音色越好。3)声音的连续谱声音信号一般为非周期信号，包含有一定频带的所有频率分量，其频谱是连续谱。声波的连续谱成分使声音听起来饱满、生动。4)声音的方向性声音的传播是以弹性波形式进行的，传播具有方向性，人通过到达左右两耳声波的时间差及声音强度差异来辨别声音的方向。声音的方向性是产生立体声效果和空间效果的基础。3.音频的种类在自然界中，声音包含声响、语音和音乐等三种形式。在多媒体系统中，声音不论是何

8、种形式都是一种装载信息的媒体，统称为音频。由产生音频的方式不同音频