DAY4.3音频信号处理基础

1、连续信号 实数域定义，自变量(时间或空间)取值连续 时间域连续信号 信号的值在时间上的任意点均有定义 如正弦波f=sin(t) 空间域连续信号 信号的值在空间上的任意点均有定义 如图像I=f(x， y)8/23/20122幅度连续 指幅度的数值有无穷多个模拟信号 在时间和幅度上都连续的信号 语音信号 典型的模拟信号，时间、幅度都连续采样(sampling) 在某些特定时刻对模拟信号进行测量8/23/20123离散时间信号 由这些特定时刻采样得到的信号 采样得到的幅值是无穷多个实数值中的一个，因此幅度还是连续的离散幅度信号 把信号幅度取值的数目限定为有限个数值数字信号 时间和幅度都用离散数字表示

2、的信号8/23/20124采样 连续时间的离散化 均匀采样 每隔相等的时间采样一次量化(quantization) 将模拟声音的连续波形幅度转换为离散化的数字 先将整个幅度划分成有限个量化阶距的集合，把落入某个阶距内的样本值，并赋予相同的量化值8/23/20125线性/非线性量化 幅度的划分是等/不等间隔的 线性量化示例 假设输入电压的范围是0.0V0.7V，并假设它的取值只限定在0、0.1、0.2，0.7共8个值 量化办法 小数点后第二位四舍五入 如果采样得到的幅度值是0.123V，它的取值就算作0.1V 如果采样得到的幅度值是0.262V，它的取值就算作0.3V8/23/20126线性/非

3、线性量化 非线性量化示例 数字电话系统流行的量化机制 A-law 在欧洲占据主导地位 -law 在北美和日本占据主导地位 将模拟数值映射到8位离散值，在小值的时候近似随着幅度增长按照对数增加。由于人耳对于音量的感知近似对数曲线，这就使用一定的位数在可听见的声音强度范围提供了更高的信噪比？8/23/20127数字化 采样量化 声音进入计算机的第一步处理8/23/20128采样频率(fs) 每秒钟需要采集的声音样本个数 倒数称为采样周期采样定律 (奈奎斯特定理) 采样频率不小于声音信号最高频率的两倍 fs2f 或 TsT/2，f为被采样信号的最高频率 无损数字化 能把数字表达的声音还原成原来的模拟

4、声音8/23/20129理论采样 把连续信号乘上梳状脉冲波形 结果是一个被改变幅度的梳状脉冲波形 离散信号就是一连串被改变幅度的波形实际采样 模拟-数字转换器(ADC) 非理想的采样方法下产生各种失真8/23/201210采样失真-I 频混现象(频谱混叠效应) 当采样信号的频率低于被采样的2倍最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量 注意 满足采样定理，只能保证不发生频率混叠。对信号的频谱做逆傅里叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号 工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍8/23/201211信号x(t)，傅里叶变换X()，

5、频带范-m+m采样信号x(t)，周期频谱，ss2m，周期频谱分离s2m，周期频谱相互重叠，频混现象，信号复原时丢失原始信号中的高频信息8/23/201212图 采样信号的频混现象时域信号波形图(a)是频率正确的情况，以及其复原信号图(b)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号8/23/201213图 发生频混现象时域信号波形采样失真-II Jitter 采样时基发生偏差 积分效应 采样所得并非是瞬时的，而是一小段时间内的值 在使用电容的采样保持电路中，因为电容无法根据采样立刻改变电压，需要非零宽度的采样信号 噪声 热噪声、模拟电路噪声.8/23/201214采样失真-III 量化误差

6、 ADC转换整数过程中舍去小数的误差 采样率过慢 ADC转换速度不够快，无法反映信号变化 截断误差 当输入信号超过ADC所能转换的大小时，输出就会被截断 其他失真 当成随机噪声来分析8/23/201215量化精度度量-I 用每个声音样本的位数bit度量 例如，每个声音样本用16位(2字节)表示，测得的声音样本值是在065536的范围里，它的精度就是输入信号的1/65536 样本位数的大小影响声音质量 位数多，声音的质量高，需要的存储空间多 位数少，声音的质量低，需要的存储空间少8/23/2012168/23/201217声音质量和数据率质量质量名称名称采样频采样频率率(kHz)(kHz)样本精

7、度样本精度(bit/s)(bit/s)单道声单道声/ /立体声立体声数据率数据率( (kBkB/s)/s)( (未压缩未压缩) )频率范围频率范围电话88单道声8 2003 400 HzAM调幅11.0258单道声11.02015 000HzFM调频22.05016立体声88.2 507 000HzCD激光唱盘44.116立体声176.42020 000 HzDAT数字录音带4816立体声192.02020 000 Hz8/23/201218量化与数据压缩 目的是减少数据量 量化通过降低变换值的精度，从而减少数据量。精度损失引起的图像、音频质量的下降，可以通过量化位数的选择加以控制 有损数据压

8、缩 MP3 根据心理声学，丢弃人耳不能听见或被掩蔽的部分 JPEG 对原始的图像数据作离散余弦变换 对变换结果进行量化并作熵编码8/23/201219传统压缩 预测和变换编码 首先将信号经某种映射变换变成一个数的序列，然后对其一个一个地进行标量量化编码矢量量化(VQ，Vector Quantization) 70年代后期发展，新型数据压缩技术 基本思想 将若干个标量数据组构成一个矢量，然后在矢量空间给以整体量化 图像、语音信号编码技术.8/23/201220矢量量化 码本(codebook)的建立 已知信源分布特性 未知信源分布，但已知信源的一列具有代表性且足够长的样点集合(即训练序列) 码字(codeword)搜索 搜索出与输入最为匹配的码矢 全搜索算法和树搜索算法8/23/201221矢量量化举例 二维平面事先按照概率划分为N个小区域 码字(codeword) 每个区域对应的一个输出结果 码书(codebook) 码字的集合 输入点落在哪个区域内，矢量量化器就会输出那个区域对应的码字 一般会比标量量化效率更高8/23/201222窗函数 一种在给定区间之外取值均为0的实函数 矩形窗 在给定区间内为常数而在区间外为0 任何函数与窗函数之积仍为窗函数 相乘的结果就像透过窗口看其他函数一样8/23/201223频谱