第三章音频信号及数字化教学材料.ppt

第3章 音频、视频信号及数字化 3.1 音频信号及数字化 3.1.1 音频信号及其心理特征 什么是声音？声音：是一种波，其本质是机械运动或气流扰动引起周围弹性媒质发生波动的现象；（声音可以在空气、液体和固体中传播）周期（T）At振幅（一）振幅：声波中的振幅就是通常所说的音量；振幅频率周期声波声压（P）声压级（SPL）1 1声压（声压（P P） 声压声压: :声波引起某处媒质压强的变化量称为该处的声压声波引起某处媒质压强的变化量称为该处的声压单位为（单位为PaPa（帕斯卡），即牛顿（帕斯卡），即牛顿/ /米米2 2是压强的量纲）是压强的量纲） 总结总结: : a. a.声压是有声波时该处的压强值与没有声波时该声压是有声波时该处的压强值与没有声波时该 处的压强值的差值处的压强值的差值 b. b.声压越大，声音也就越大声压越大，声音也就越大 P Prmsrms-计量点的声压有效值计量点的声压有效值PPrefref-零声级的参考声压值（零声级的参考声压值（P Prefref=210=210-5-5帕）帕）（单位用分贝（单位用分贝dBdB）b.b.声压级实际上是一种相对量，是某点的声压与零声压级实际上是一种相对量，是某点的声压与零 声压的比，是描述声音变化的动态范围的物理量声压的比，是描述声音变化的动态范围的物理量. .a.a.为具有正常听力的年轻人对为具有正常听力的年轻人对1 1kHzkHz的单一频率的单一频率信号刚刚能觉察到它存在时的声压值。

信号刚刚能觉察到它存在时的声压值音频与音高音频与音高 音频是指声音信号的频率音频是指声音信号的频率; ; 人对于声音频率的人对于声音频率的感觉表现为音调的高低在音乐中称为音高感觉表现为音调的高低在音乐中称为音高二）频率单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*8音频信号：人类听觉的频率相应不是平直的，频率在20Hz-20kHz是人类可以听到的听觉频带，我们称为“音频信号”超音（超音波）次音（亚音波）Speech(voice):300Hz-3000HzAudio(High-Fidelity):10Hz-20000Hz用声音信号的频率范围来衡量声音质量1、数字激光唱盘，简称CD-DA质量（CompactDiscDigitalAudio），频率范围：10-20000Hz2、调频无线电广播，简称FM质量（FrequencyModulation），频率范围：20Hz-15000Hz4、质量，简称Telephone质量频率范围：200Hz-3400Hz3、调幅无线电广播，简称AM质量（AmplitudeModulation），频率范围：50Hz-7000Hz 音频带宽：音频带宽：2020HzHz20kHz20kHz是人类的听觉频带。

是人类的听觉频带人耳对不同频率的敏感程度有很大差别人耳对不同频率的敏感程度有很大差别 低频区和高频区较不敏感，能被人耳听到的信号低频区和高频区较不敏感，能被人耳听到的信号 幅度比中频段要高得多幅度比中频段要高得多 中频段（中频段（3kHz3kHz5kHz5kHz）最为敏感，幅度很低的信最为敏感，幅度很低的信 号都能被人耳听到号都能被人耳听到 响度响度是指人类所感受到声音大小的程度，而是指人类所感受到声音大小的程度，而响度响度级级则是以则是以11kHzkHz信号的声压级数，单位是信号的声压级数，单位是“ “方方” ”（PhonPhon）响度与响度级响度与响度级注：声压级是客观量，而响度级则是主观量注：声压级是客观量，而响度级则是主观量等响度曲线等响度曲线 具有相等响度的不同频具有相等响度的不同频率的点连接起来构成的一率的点连接起来构成的一条条曲线被称为等响度曲条条曲线被称为等响度曲线线注：每条曲线上的各点响度相同但声压级不同注：每条曲线上的各点响度相同但声压级不同 绝对听阈：响度级为绝对听阈：响度级为0 0方的等响度曲线；方的等响度曲线；注：在绝对听阈曲线以下的各种声音将不能被人耳察觉注：在绝对听阈曲线以下的各种声音将不能被人耳察觉。

在安静环境中，能被人耳听到的纯音的最小值在安静环境中，能被人耳听到的纯音的最小值( (该曲该曲线为线为0 0方响度级等响度曲线方响度级等响度曲线, ,即该曲线在即该曲线在11kHzkHz时声压级为时声压级为0dB0dB注注: :某一频率强音的存在会改变其附近的绝对听阈曲线某一频率强音的存在会改变其附近的绝对听阈曲线, ,而改而改变部分称为掩蔽听阈曲线变部分称为掩蔽听阈曲线改变后的听阈曲线以下的各种声音将不能被人耳察觉改变后的听阈曲线以下的各种声音将不能被人耳察觉某一频率的强音对较高频率弱音的影响大于较低频率某一频率的强音对较高频率弱音的影响大于较低频率掩蔽效应掩蔽效应: :声场中的一个强音能掩蔽与之同时发声场中的一个强音能掩蔽与之同时发 声的附近的弱音声的附近的弱音8 8动态范围动态范围 是某个声音的最强音与最弱音的强度差，用分是某个声音的最强音与最弱音的强度差，用分贝表示它是衡量声音强度变化的重要参数它是衡量声音强度变化的重要参数9 9音频信号在时域和频域中的表现形式音频信号在时域和频域中的表现形式 在时域空间中表现为幅值随时间连续变化的曲线，在时域空间中表现为幅值随时间连续变化的曲线，在频域中则是将音频信号经傅里叶（在频域中则是将音频信号经傅里叶（FourierFourier）变换后变换后在频率空间的分立或连续的谱线。

在频率空间的分立或连续的谱线 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.1 3.1.1 音频信号及其心理特征音频信号及其心理特征 注：两种描述虽然形式不同，但是以不同的侧面去描述同一事物注：两种描述虽然形式不同，但是以不同的侧面去描述同一事物 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.1 3.1.1 音频信号及其心理特征音频信号及其心理特征 1 1模拟信号模拟信号 从时间上以及幅值上都连续（不间断）从时间上以及幅值上都连续（不间断） 变化的信号变化的信号称为模拟信号称为模拟信号 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.2 3.1.2 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号注注: : 模拟信号强调在时间上的连续性模拟信号强调在时间上的连续性 模拟信号强调在幅值上的连续性模拟信号强调在幅值上的连续性计量和描述方式，一般采用十进制数计量和描述方式，一般采用十进制数缺点：a、噪声容限低；b、抗干扰能力差2 2数字信号数字信号 在时间上和幅值上都是离散（不连续）的信号称为数在时间上和幅值上都是离散（不连续）的信号称为数字信号。

字信号 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.2 3.1.2 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号注：注：数字信号强调在时间上和幅值上都不连续数字信号强调在时间上和幅值上都不连续数字信号的描述方式采用二进制数量来表示数字信号的描述方式采用二进制数量来表示二进制数与数字信号是两个概念，前者只是对后者的一二进制数与数字信号是两个概念，前者只是对后者的一种描述，在数字信号中强调的是状态种描述，在数字信号中强调的是状态 正逻辑是人们用正逻辑是人们用“1”“1”表示有脉冲或电源接通，而用表示有脉冲或电源接通，而用“0”“0”表表示无脉冲或电源断开示无脉冲或电源断开二进制与十进制的关系：二进制与十进制的关系： 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.2 3.1.2 模拟信号与数字信号模拟信号与数字信号D= bi 2 in-1i=0仅从三个方面分析仅从三个方面分析1.1. 音频信号的动态范围音频信号的动态范围 2.2. 噪声容限噪声容限 （对噪声的承受能力）（对噪声的承受能力）3.3. 与计算机的兼容性与计算机的兼容性 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.3 3.1.3 为什么要数字化为什么要数字化1.1.音频信号的动态范围音频信号的动态范围 实际声场中声音强弱的变化达实际声场中声音强弱的变化达120120dBdB。

传统的模拟音响设备的动态范围：采用模拟信号处理传统的模拟音响设备的动态范围：采用模拟信号处理方式记录和重放音频信号比如：磁带录音机等，其动态方式记录和重放音频信号比如：磁带录音机等，其动态范围不会超过范围不会超过6060dBdB 数字音响设备的动态范围接近或者达到实际声音的动数字音响设备的动态范围接近或者达到实际声音的动态范围 采用采用1616bitbit量化量化( (如如1616位声卡位声卡) )，则声音的强弱范围就可，则声音的强弱范围就可划分成：划分成：个等级，因而动态范围可达个等级，因而动态范围可达96(dB) 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.3 3.1.3 为什么要数字化为什么要数字化 结论：数字系统的音频信号动态范围比模拟系统提高结论：数字系统的音频信号动态范围比模拟系统提高了近一倍这也是了近一倍这也是CDCD技术之所以获得高水准的音质的重技术之所以获得高水准的音质的重要原因20lg216=96(dB)2. 2. 噪声容限噪声容限 （对噪声的承受能力）（对噪声的承受能力）传统的音响设备的失真情况传统的音响设备的失真情况 在重放时，由于失真、噪声、电机转速不匀等原因，重在重放时，由于失真、噪声、电机转速不匀等原因，重放效果大打折扣。

放效果大打折扣数字音响设备的失真情况数字音响设备的失真情况 数字系统只要能识别码的长短或脉冲的有无，即可再现数字系统只要能识别码的长短或脉冲的有无，即可再现出原来的信号出原来的信号结论：数字信号的噪声容限比较高结论：数字信号的噪声容限比较高 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.3 3.1.3 为什么要数字化为什么要数字化 3. 3. 与计算机的兼容性与计算机的兼容性多媒体是以计算机控制为基础的，而计算机处理、存多媒体是以计算机控制为基础的，而计算机处理、存储的都是数字信息，即储的都是数字信息，即“0”“0”、“1”“1”信号，所以在多媒体中的信号，所以在多媒体中的音频、视频信号必须是数字信号音频、视频信号必须是数字信号 第第3 3章章 音视频信号及数字化音视频信号及数字化 3.1 3.1 音频信号及数字化音频信号及数字化 3.1.3 3.1.3 为什么要数字化为什么要数字化 动态范围大若采用动态范围大若采用1616bitbit量化方法，音频信号的幅度可分为量化方法，音频信号的幅度可分为6553665536个量化级，动态范围达个量化级，动态范围达9696dBdB。

信息易处理可以通过计算机对音频、视频信号进行各种特技及信息易处理可以通过计算机对音频、视频信号进行各种特技及非线性编辑非线性编辑 媒体易保存使用时间长，采用数字化的光盘，重放时不存在机媒体易保存使用时间长，采用数字化的光盘，重放时不存在机械磨损，使用寿命长械磨损，使用寿命长 成本低数字化信息便于大规模集成电路的存储和处理，可降低成本低数字化信息便于大规模集成电路的存储和处理，可降低成本 可靠性高数字信号只要求脉冲的有无，而不依赖信号的幅值大可靠性高数字信号只要求脉冲的有无，而不依赖信号的幅值大小，对硬件一致性和稳定性要求下降了许多，从而提高了可靠性小，对硬件一致性和稳定性要求下降了许多，从而提高了可靠性。