声音和语音编码

声音和语音编码第一页，共九十八页，2022年，8月28日1本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码脉冲编码调制（PCM）PCM应用其它编码方法第二页，共九十八页，2022年，8月28日2.1声音概述声音是一种连续的波，具有普通波的一切特性：反射、折射、衍射等。声音信号是由许多频率不同的信号组成声波的分类（按频率）次声波(0～20Hz)声波(20～20KHz)—

人类听觉范围超声波(>20KHz)—

强的方向性应用：B超、探测仪、主动声纳第三页，共九十八页，2022年，8月28日2.1声音概述（续）声音的幅度人类能够感知的范围是：0～120dB之间超出120dB人耳可能会感动疼痛补充：什么是dB（分贝）数？第四页，共九十八页，2022年，8月28日什么是dB（分贝）数？一种相对量单位，在专业音响设备的调节刻度上经常会遇到，例如增益大小、衰减量、提升量、电平量等。

其定义是：dB数=20lgA/B

但在功率级、声强级及能量级中，其定义是：dB数=10lgA/B

式中，A是被比较的绝对量，例如电压、电流等；B为比较的标准量。采用dB数表示量值的优点是缩小了数值大小，使量值表示更简单更具体，使运算简化。同时，对一些变化范围很宽的物理量作图表示或刻度与非常方便，一目了然。

第五页，共九十八页，2022年，8月28日2.1声音概述（续）音宽与频带：频带宽度或称为带宽，它是描述组成复合信号的频率范围。

图2.1声音的频带第六页，共九十八页，2022年，8月28日2.1.1音频信号的指标

一.频带宽度：音频信号的频带越宽，所包含的音频信号分量越丰富，音质越好。

图2.2声音的频带宽度第七页，共九十八页，2022年，8月28日2.1.1音频信号的指标(续)二．动态范围:动态范围越大，信号强度的相对变化范围越大，音响效果越好。

音质效果

AM广播FM广播数字电话CD－DA动态范围（dB）

406050100动态范围＝20×log（信号的最大强度

/信号的最小强度）单位：（dB）

表2.1声音的动态范围抑扬顿挫第八页，共九十八页，2022年，8月28日2.1.1音频信号的指标(续)三．信噪比：信噪比SNR（SignaltoNoiseRatio）是有用信号与噪声之比的简称。噪音可分为环境噪音和设备噪音。信噪比越大，声音质量越好

第九页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码脉冲编码调制（PCM）PCM应用其它编码方法第十页，共九十八页，2022年，8月28日2.2声音的数字化模拟信号与数字信号声音信号的数字化采样频率采样精度声音质量与数据率第十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.1模拟信号与数字信号模拟信号——时间上、幅度上均连续的信号。采样——

在某一时刻对模拟信号的幅度进行测量，将其时间上离散化量化——

将采样得到的信号幅度的取值离散化。如采样得到的幅度为[0,255],一种离散化的方法是取值{0,1,2,…,255}采样和量化后得到的信号就是数字信号第十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.1模拟信号到数字信号为什么要从模拟信号过渡到数字信号？以前声音长途传输用电信号来模拟声波，对电信号的处理，采用模拟电气元件，受环境影响很大（温度、电磁场干扰），难以纠错。采用数字信号，采用数字信号处理器（DSP）进行数学运算，受环境影响较小，可以实现容错处理。第十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.1数字信号处理的优点数字信号计算是一种精确的计算方法，不受时间和环境变化的影响；用数学运算来实现（模拟）原来的物理部件的功能相对比较容易可以通过改变数学运算的方法，实现不同的功能，而不需更换物理部件(DSP)。即只需对DSP编程。第十四页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.2声音信号的数字化声音信号的数字化步骤：采样——得到一个个时间上离散的幅度值量化——得到一个个离散的幅度值连续时间的离散化通过采样，一般采用均匀采样(uniformsampling)连续幅度的离散化通过量化，可采用线性量化,或非线性量化

第十五页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.2声音信号的数字化(图)图2.3声音信号的数字化第十六页，共九十八页，2022年，8月28日采样和量化——示例如有一声音信号，对其进行采样和量化。量化表用[1，2，3，4，5，6，7，8]，四舍五入方法。结果如下表2.2采样序列1.532.203.61…4.83量化序列224…5第十七页，共九十八页，2022年，8月28日声音信号的数字化目前应用较为广泛的采样方式:奈奎斯特(Nyquist)采样正交采样带通采样Sigma-Delta(∑－△)采样等第十八页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.2声音信号的数字化需要解决的两个问题：采样频率应该是多少？量化的精度？bps(bitpersample)第十九页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.3采样频率采样频率是指一秒钟内采样的次数。奈奎斯特采样定理(Nyquisttheory):如果对某一模拟信号进行采样，则采样后可还原的最高信号频率只有采样频率的一半；或者说只要采样频率高于输入信号最高频率的两倍，就能从采样信号系列重构原始信号。

第二十页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.3采样频率奈奎斯特采样定理:fs>=2fmax

－－fs为采样频率，fmax为信号最高频率对声音信号而言，fmax为声音信号的最高频率。在实际应用中，为了使前级抗混叠滤波器易于实现，提高输入信号的信噪比，一般fs取fmax的2.5倍以上。

第二十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.3采样频率根据斯特采样定理，CD激光唱盘采样频率为44KHz，可记录的最高音频为22KHz，这样的音质与原始声音相差无几，也就是我们常说的超级高保真音质。声音采样的三个标准频率分别为：44.1KHz22.05KHz11.025KHz。

第二十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.3采样频率人耳听觉上限是20KHz，根据奈奎斯特的理论，数码音频的取样频率应当是40KHz，可为何定了44.1KHz这么一个特殊的标准？对模拟声音信号进行处理时，20KHz处有比较明显的衰减，因此把信号截止频率提高到22KHz为使交流电纹波的负面影响降到最低，需要取一个既大于44KHz,又为50Hz和60Hz(国际通行的两种交流电频率)公倍数的数据。第二十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4量化精度——

量化位数量化位数是对模拟音频信号的幅度轴进行数字化，它决定了模拟信号数字化以后的动态范围。由于计算机按字节运算，一般的量化位数为8位和16位。量化位越高，信号的动态范围越大，数字化后的音频信号就越可能接近原始信号，但所需要的存贮空间也越大。

类似于你银行的存款位数第二十四页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4量化精度——

量化位数例如用8位表示一个声音采样的样本，则样本值是0到255之间的256个整数值，此时采样精度就是1/256.量化精度、存储空间、声音质量、处理速度之间的矛盾。（理解）第二十五页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4量化精度——

信噪比表示信噪比SNR(signal-to-noiseratio)公式：

SNR=10log[(Vsignal)2/(Vnoise)2]=20log(Vsignal/Vnoise)说明：Vsignal表示信号电压Vnoise表示噪声电压SNR的单位为分贝(dB)如何理解信噪比公式(思考题)第二十六页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4量化精度——

信噪比计算举例：假设Vnoise=1;采样精度为1bit时，Vsignal＝21，此时它的信噪比：

SNR=20log(Vsignal/Vnoise)=20log(21/1

)=20log2=20*0.3=6dB第二十七页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4量化精度——

信噪比计算举例：假设Vnoise=1;采样精度为8bit时，Vsignal＝28，此时它的信噪比：

SNR=20log(Vsignal/Vnoise)=20log(28/1

)=20*8*log2=20*8*0.3=48dB第二十八页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.4采样精度（表）表2-3采样位数与信噪比对照表量化位

等份

信噪比(dB)应

用

126825648数字电话166553696CD-DA第二十九页，共九十八页，2022年，8月28日2.2.5声音质量与数据率声道数：有单声道和双声道之分。双声道又称为立体声，在硬件中要占两条线路，音质、音色好，但立体声数字化后所占空间比单声道多一倍。数据率：为每秒bit数，(bps).数据率是计算机处理时要掌握的基本技术参数。声音质量与数据率的对应参见教材表2-1p11第三十页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码脉冲编码调制PCM应用其它编码方法第三十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.3电子合成音乐－MIDI乐器数字接口MIDI（MusicalInstrumentDigitalInterface），泛指数字音乐的国际标准，它是音乐与计算机结合的产物。MIDI不是把音乐的波形进行数字化采样和编码，而是将数字式电子乐器的弹奏过程记录下来，如按了哪一个键、力度多大、时间多长等等。当需要播放这首乐曲时，根据记录的乐谱指令，通过音乐合成器生成音乐声波，经放大后由扬声器播出。

第三十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.1MIDI术语一、音乐合成器（MusicalSynthesizer）：用来产生并修改正弦波形的叠加，然后通过声音产生器和扬声器发出特定的声音。泛音的合成决定声音音质。二、复调声音：简称为复音（Polyphony），指合成器同时演奏若干音符时发出的声音。它着重于同时演奏的音符数。第三十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.1MIDI术语三、多音色（Timbre）：指同时演奏几种不同乐器时发出的声音。它着重于同时演奏的乐器数。四、MIDI标准

1、MIDI电子乐器：能产生特定声音的合成器，其数据传送符合MIDI通信约定。第三十四页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.1MIDI术语2、MIDI消息(message)或指令：乐谱的一种记录格式，相当于乐谱语言。3、MIDI接口（interface）：MIDI硬件通信协议4、MIDI通道(channel)：共16个通道，每种通道对应一种逻辑的合成器第三十五页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.1MIDI术语

5、MIDI文件：由控制数据和乐谱信息数据构成6、音序器(Sequencer)：用来记录、编辑和播放MIDI文件的软件。第三十六页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.2计算机上MIDI的产生过程

MIDI电子乐器通过MIDI接口与计算机相连。计算机可通过音序器软件来采集MIDI电子乐器发出的一系列指令。这一系列指令可记录到MIDI文件中。在计算机上音序器可对MIDI文件进行编辑和修改。最后，将MIDI指令送往音乐合成器，由合成器将MIDI指令符号进行解释并产生波形，然后通过声音发生器送往扬声器播放出来。第三十七页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.2计算机上MIDI的产生过程图2.4MIDI的产生过程第三十八页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.3MIDI合成的产生方式1、频率调制合成(FrequencyModulation)

通过硬件产生正弦信号，再经处理合成音乐。合成的方式是将波形组合在一起，理论上可以有无限多组波形，但实际上做不到。其泛音的合成与模拟比较困难，实际的质量不高。2、波形表（Wavetable）合成

其原理是在ROM中已存储各种实际乐器的声音样本，需要时，调用相应样本来合成该乐器的乐音。ROM的容量越大，合成效果越好，价格也越贵。

第三十九页，共九十八页，2022年，8月28日2.3.4两种音频文件的比较

表2-4MIDI和WAVE文件的比较MIDIWAVE文件内容

MIDI指令数字音频数据音源

MIDI乐器Mic,磁带,CD唱盘,音响容量小与音质成正比

效果与声卡质量有关

与编码指标有关

适用性易编辑

声源受限

数据量很小

不易编辑

声源不限

数据量大

第四十页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码

(教材第三章)脉冲编码调制PCM应用其它编码方法第四十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.4语音编码——实现方法波形编码 将波形直接变换成数字码流。特点：比特率较高、解码后质量较高、延时较小。可以分为：时域波形编码，如PCM、ADPCM、M等；频域波形编码，如子带编码（SBC）、自适应变换编码等。参数编码从信源信号的某个域中提取特征参数，并变换成数字码流。特点：比特率较低、解码后质量较低、延时较大。如：各种声码器。线性预测编码(LPC)第四十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.4语音编码——实现方法混合编码 将以上二种方法混合，特点：以较低的比特率获得较高的质量，延时适中，复杂。如：GSM的语音编码。

第四十三页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码历史：数字电话（1）

波形编码

PCM原理（37年，法AlecReeres）电子管PCM（46年，Bell实验室）晶体管PCM（62年，市话扩容，64kb/s）单片ICPCM（70年代，微波、卫星、光纤）

增量编码原理（46年，法DeLoraine）自适应增量CVSD（60年代末，军用，32、16kb/s）

ContinuouslyVariableSlopeDeltaModulator

连续变化斜率增量调制器

其他编码（70年代，ADPCM、SubBand、ATC、APC等）在16kb/s以上得到较好的话音质量。特点：话音质量好，且编码速率高。第四十四页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码历史：数字电话（2）

参数编码波形编码通道声码器（39年，Dudly，二次大战保密电话）

LPC声码器（67年，Atal、Schroeder）共振峰声码器（71年，Rabiner、Schafer、Elanagan）波形插值（91年，W.B.Kleijn）

特点：编码速率低，自然度差。

混合编码器利用线性预测、VQ、A-B-S、感觉加权、后滤波等技术。规则脉冲激励线性预测（RPELP1985Deprettere、Kroon）码本激励线性预测（CELP1985Manfred、Schroeder、Atal）特点：话音质量高、编码速率低，但算法复杂。第四十五页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码的优点提高传输的质量便于处理使用灵活，便于多种媒体（视频、音频、文字、数据）相结合应用易于加密适合大规模集成可靠性高、体积功耗小价格便宜第四十六页，共九十八页，2022年，8月28日表2.2语音编码的应用第四十七页，共九十八页，2022年，8月28日压缩的必要性表2.3几种类型信号的参数88.125KB/s（一般了解）第四十八页，共九十八页，2022年，8月28日语音压缩依据1)冗余度时域样点之间相关（短时、长时）频域谱的非平坦性（谱包络、谱离散）统计特性2)人耳听觉特性人耳分辨能力人耳对不同频段声音的敏感程度不同，通常对低频比对高频更敏感人耳对语音信号的相位不敏感人耳掩蔽效应MaskingEffect…（一般了解）第四十九页，共九十八页，2022年，8月28日语音压缩依据说明：对人耳听不到或感知极不灵敏的声音分量都不妨视为冗余。利用听觉心理特性…、感觉加权、量化、去除多余分量、后滤波、…。（一般了解）第五十页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码性能评价（1）1)编码速率：（Kbps、Kb/s）

信号带宽：可懂度、自然度、透明度。

200~3400Hz,50~7000Hz,10~20000HZ

采样速率：8KHz,16KHz,32KHz,44.1/48KHz。

编码位数：R（b/样点），总速率I（kb/s）。

（一般了解）第五十一页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码性能评价（2）2）重建语音质量客观评价：信噪比分段信噪比（一般15dB以上较好，20dB以上相当好）主观评价:MOS分（MeanOpinionScore）

5~1分：

Excellent、Good、Fair、Poor、Bad如：4分：长途通信质量（一般了解）第五十二页，共九十八页，2022年，8月28日语音编码性能评价（3）3)编解码延时（ms）公众网（25ms）回声控制或回声抵消正常通话秩序与重建质量关系4)算法复杂度硬件、成本浮点、定点

5)其他抗随机误码和突发误码能力抗丢包和丢帧能力对不同信号编码能力级联或转接能力（一般了解）第五十三页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码脉冲编码调制PCM应用其它编码方法第五十四页，共九十八页，2022年，8月28日2.5脉冲编码调制PCM概念：在一定的时间间隔内，连续测量信号的幅度值，并对测量值编码。原理：（见下图）第五十五页，共九十八页，2022年，8月28日2.5脉冲编码调制PCM—步骤三个步骤:抽样—

即采样量化—

测量采样值编码

—

对量化值进行处理并记录第五十六页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.1PCM－量化概念1、定义：将幅度连续变化的信号变成幅度离散信号的处理过程称为量化。2、量化器的基本参数

1）量化范围

如[V1，V2]，语音信号为双极性对称信号，通常量化范围是[-V，+V]2）量化级数N，在[V1，V2]内分N个段落。第五十七页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.2PCM－量化参数3）量化间隔i，也称量阶，量化级

4）量化值

5）编码位数n，二进制编码时，需满足

2nN6）量化方法

均匀量化：

量化间隔相等；

非均匀量化：量化间隔不相等。

第五十八页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.3量化器特性

1）量化器特性曲线：量化器的输入和输出之间的关系曲线2）量化器误差特性曲线：量化器的输入与量化误差之间的关系曲线。第五十九页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.3均匀量化器的特性曲线和误差曲线第六十页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.3均匀量化的特点及其应用特点：

1）量化信噪比与信号功率成正比

2）编码位数多。应用：用于信号分布范围小且较均匀的场合。如遥测、遥控、仪表等方面。结论：在通信系统中，语音信号不适合采用均匀量化编码改进方法：采用非均匀量化。

第六十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.4非均匀量化

非均匀量化基本思想：在对输入信号进行量化时候，大的输入信号采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。非均匀量化有两种方法：

1.

律压扩

2.A律压扩第六十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.5.4压扩－－压缩与扩展压缩与扩张的过程如下:1.f(x)—压缩器—均匀量化—编码2.译码—扩张器—f'(x)

第六十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.5µ律压缩律1.µ律压缩律

µ律曲线为

μ越大，小信号的压缩律越高。

第六十四页，共九十八页，2022年，8月28日2.5A律压缩律2.A律压缩律

A律压缩曲线为

第六十五页，共九十八页，2022年，8月28日2.5分段量化折线压缩律

由于连续曲线的压缩律电路实现较为困难，通常用折线来近似。常用的有A13折线和µ15折线。

第六十六页，共九十八页，2022年，8月28日2.5A13折线画法A13折线画法如下：1）

x轴采用对折方式分16份2）

y轴均匀分割16份3）

将x,y轴对应的坐标点连接起来，得到16段折线。简称为A13折线。应用：中国，欧洲等第六十七页，共九十八页，2022年，8月28日2.5A13折线画法（图）8×2条线段第六十八页，共九十八页，2022年，8月28日2.5µ15折线压缩律

µ15折线压缩律是在µ曲线上取坐标点，然后连成折线而得。

第六十九页，共九十八页，2022年，8月28日2.5µ15折线画法画法如下：1）x轴坐标点为，非均匀分割16份2）y轴均匀分割16份3）将x,y轴对应的坐标点连接起来，得到16段折线。称为µ15折线。

应用：日本，美国，加拿大等。

第七十页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码脉冲编码调制（PCM）PCM应用其它编码方法第七十一页，共九十八页，2022年，8月28日2.6PCM在通信中的应用PCM编码早期的最重要应用就是话音通信中的多路复用。一般来说，电信网中传输媒体费用约占总成本的65%，设备费用约占成本的35%，因此提高线路利用率是一个重要课题.提高线路利用率通常用下面两种方法：(1)频分多路复用FDM(frequency-divisionmultiplexing)(2)时分多路复用TDM(time-divisionmultiplexing)第七十二页，共九十八页，2022年，8月28日频分多路复用FDM把传输信道的频带分成好几个窄带，每个窄带传送一路信号:例如，一个信道的频带为1400Hz，把这个信道分成4个子信道：820-990Hz,1230-1400Hz,1640-1810Hz和2050-2220Hz，相邻子信道间相距240Hz，用于确保子信道之间不相互干扰。每对用户仅占用其中的一个子信道。这是模拟载波通信的主要手段。第七十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.6.2时分多路复用TDM把传输信道按时间来分割，为每个用户指定一个时间间隔，每个间隔里传输信号的一部分，这样就可以使许多用户同时使用一条传输线路。这是数字通信的主要手段。例如，话音信号的采样频率f＝8000Hz，它的采样周期＝125ms，这个时间称为1帧(frame)。在这个时间里可容纳的话路数有两种规格：24路制和30/32路制。第七十四页，共九十八页，2022年，8月28日24路制的重要参数如下每秒钟传送8000帧，每帧125ms。

12帧组成1复帧(用于同步)。每帧由24个时间片(信道)和1位同步位组成。每个信道每次传送8位代码，1帧有24×8＋1＝193位(比特)。数据传输率R＝8000×193＝1544kbps。每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kbps。

µ律参看：教材P32图3－10第七十五页，共九十八页，2022年，8月28日30路制的重要参数如下每秒钟传送8000帧，每帧125ms。

16帧组成1复帧(用于同步)。每帧由32个时间片(信道)组成。每个信道每次传送8位代码。数据传输率：R＝8000×32×8＝2048kbps。每一个话路的数据传输率＝8000×8=64kbps。

A律第七十六页，共九十八页，2022年，8月28日应用时分多路复用(TDM)技术已广泛用在数字电话网中，为反映PCM信号复用的复杂程度，通常用“群(group)”这个术语来表示，也称为数字网络的等级。

PCM通信方式发展很快，传输容量已由一次群(基群)的30路(或24路)，增加到二次群的120路(或96路)，三次群的480路(或384路)，……。第七十七页，共九十八页，2022年，8月28日本章主要内容声音概述声音的数字化电子合成音乐语音编码(教材第三章)脉冲编码调制PCM应用其它编码方法第七十八页，共九十八页，2022年，8月28日

7.其它编码方法DM/ADMAPCM/DPCM/ADPCMLPCRPE-LTP第七十九页，共九十八页，2022年，8月28日增量调制与自适应增量调制由于DM编码的简单性，使它成为数字通信和压缩存储的一种重要方法，它鼓励了很多人对最早发明的DM系统做了大量的改进和提高工作。最早的DM系统是在1946年发明的。后来的自适应增量调制ADM系统采用十分简单的算法就能实现32kbps至48kbps的数据率，而且可提供高质量的重构话音，它的MOS评分可达到4.3分左右。第八十页，共九十八页，2022年，8月28日增量调制(DM)增量调制也称△调制DM(deltamodulation)，它是一种预测编码技术，是PCM编码的一种变形。

DM是对实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性进行编码，将极性变成“0”和“1”这两种可能的取值之一。如果实际的采样信号与预测的采样信号之差的极性为“正”，则用“1”表示；相反则用“0”表示，或者相反。由于DM编码只须用1比特对话音信号进行编码，所以DM编码系统又称为“1比特系统”第八十一页，共九十八页，2022年，8月28日增量调制(DM)（图）第八十二页，共九十八页，2022年，8月28日2.7.1自适应增量调制ADM

ADM定义：一种自动调节量阶的增量调制。

当信号斜率大时，量阶大，当信号斜率小时，量阶小。

ADM具有动态范围大的特点。

第八十三页，共九十八页，2022年，8月28日2.7.2差值脉冲编码调制（DPCM）DPCM：根据前些时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传递预测值和实际值之差，而不需每个样值的编码都传。举例说明DPCM过程：第八十四页，共九十八页，2022年，8月28日

2.7.2DPCM框图第八十五页，共九十八页，2022年，8月28日差值脉冲编码调制（DPCM）（图）第八十六页，共九十八页，2022年，8月28日差值脉冲编码调制(说明)由于差值序列信息可以代替原始序列中的有效信息，二差值信号的能量