知识点
关键词范围声波声音信号音频分类声音及其数字化
()的一个是频率,它是指声波每秒钟变化的次数,用Hz表示。人耳能听到的的频率范围是(12)。
A.	0Hz~20KHz
B.	0Hz~200KHz
C.	20Hz~20KHz
D.	20Hz~200KHz
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知识点讲解
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音频
声音信号
声音是通过空气传播的一种连续的波,称为声波。声波在时间和幅度上都是连续的模拟信号,通常称为模拟声音(音频)信号。
1)声音的3个指标
声音主要有音量、音调和音色3个指标。
.音量(也称响度):声音的强弱程度取决于声音波形的幅度,即取决于振幅的大小和强弱。
.音调:人对声音频率的感觉表现为音调的高低,取决于声波的基频。基频越低,给人的感觉越低沉,频率高则声音尖锐。
.音色:人们能够分辨具有相同音高的不同乐器发出的声音,就是因为它们具有不同的音色。一个声波上的谐波越丰富,音色越好。
2)声音信号的带宽
对声音信号的分析表明,声音信号由许多频率不同的信号组成,通常称为复合信号,而把单一频率的信号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽(bandwidth),它用来描述组成声音信号的频率范围。PC处理的音频信号主要是人耳能听到的音频信号(audio),它的频率范围是20~20kHz。可听声包括如下内容。
.话音(也称语音):人的说话声,频率范围通常为300~3400Hz。
.音乐:由乐器演奏形成(规范的符号化声音),其带宽可达到20~20kHz。
.其他声音:如风声、雨声、鸟叫声、汽车鸣笛声等,它们起着效果声或噪声的作用,其带宽范围也是20Hz~20kHz。
3)幅度和频率
声音信号的两个基本参数是幅度和频率。幅度是指声波的振幅,通常用动态范围表示,一般用分贝(dB)为单位来计量。频率是指声波每秒钟变化的次数,用Hz表示。
声音信号的数字化
声音信号的数字化即用二进制数字的编码形式来表示声音。最基本的声音信号数字化方法是采样一量化法,可以分成以下3个步骤。
1)采样
采样是把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的信号。在某些特定时刻获取的声音信号幅值叫作采样,由这些特定时刻采样得到的信号称为离散时间信号。一般是每隔相等的一小段时间采样一次,其时间间隔称为采样周期,它的倒数称为采样频率。为了不产生失真,采样频率不应低于声音信号最高频率的二分之一。因此,语音信号的采样频率一般为8kHz,音乐信号的采样频率则应在40kHz以上。采样频率越高,可恢复的声音信号分量越丰富,其声音的保真度越好。
2)量化
量化处理是把在幅度上连续取值(模拟量)的每一个样本转换为离散值(数字量)表示,因此量化过程有时也称为A/D转换(模数转换)。量化后的样本是用二进制数来表示的,二进制数位数的多少反映了度量声音波形幅度的精度,称为量化精度,也称为量化分辨率。例如,每个声音样本若用16位(2B)表示,则声音样本的取值范围是0~65 536;精度是1/65 536;若只用8位(1B)表示,则样本的取值范围是0~255,精度是1/256。量化精度越高,声音的质量越好,需要的存储空间也越多;量化精度越低,声音的质量越差,而需要的存储空间越少。
3)编码
为了便于计算机的存储、处理和传输,按照一定的要求对采样和量化处理后的声音信号进行数据压缩和编码,即选择某一种或者几种方法对它进行数据压缩,以减少数据量,再按照某种规定的格式将数据组织成为文件。
声音的表示
计算机中的数字声音有两种不同的表示方法:一种称为波形声音(也称为自然声音),通过对实际声音的波形信号进行数字化(采样和量化)而获得,能高保真地表示现实世界中任何客观存在的真实声音,波形声音的数据量比较大;另一种是合成声音,它使用符号(参数)对声音进行描述,然后通过合成的方法生成声音。
波形声音信息是一个用来表示声音振幅的数据序列,它是通过对模拟声音按一定间隔采样获得的幅度值,再经过量化和编码后得到的便于计算机存储和处理的数据格式。
未经压缩的数字音频数据传输率可按下式计算:
数据传输率(b/s)=采样频率(Hz)×量化位数(bit)×声道数
数据传输率以每秒比特(b/s)为单位;采样频率以Hz为单位;量化以比特(b)为单位。
波形声音经过数字化后所需占用的存储空间可用如下公式计算:
声音信号数据量=数据传输率×持续时间/8(B)
数字语音的数据压缩方法主要有以下三种。
(1)波形编码。波形编码是一种直接对取样量化后的波形进行压缩处理的方法。波形编码的特点是通用性强,不仅适用于数字语音的压缩,而且对所有使用波形表示的数字声音都有效,可获得高质量的语音,但很难达到高的压缩比。
(2)参数编码。参数编码(也称为模型编码)是一种基于声音生成模型的压缩方法,从语音波形信号中提取生成的话音参数,使用这些参数通过话音生成模型重构出话音。它的优点是能达到很高的压缩比,缺点是信号源必须已知,而且受声音生成模型的限制,质量不太理想。
(3)混合编码。波形编码虽然可提供高质量的语音,但数据率比较高,很难低于16kb/s;参数编码的数据率虽然可降低到3kb/s甚至更低,但它的音质根本不能与波形编码相比。混合编码是上述两种方法的结合,它既能达到高的压缩比,又能保证一定的质量。
数字语音压缩编码有多种国际标准,如G.711、G.721、G.726、G.727、G.722、G.728、G.729A、G.723.1、IS96(CDMA)等。
在国际标准MPEG中,先后为视频图像伴音的数字宽带声音制定了MPEG-1 Audio、MPEG-2 Audio、MPEG-2AAC、MPEG-4 Audio等多种数据压缩编码的标准。MPEG处理的是10~20 000Hz频率范围的声音信号,数据压缩的主要依据是人耳的听觉特性,特别是人耳存在着随声音频率变化的听觉域,以及人耳的听觉掩蔽特性。
声音合成
由计算机合成的声音,包括语音合成和音乐合成。
1)语音合成
语音合成目前主要指从文本到语音的合成,也称为文语转换。语音合成从合成采用的技术讲可分为发音参数合成、声道模型参数合成和波形编辑合成,从合成策略上讲可分为频谱逼近和波形逼近。
(1)发音参数合成。发音参数合成对人的发音过程进行直接模拟,它定义了唇、舌、声带的相关参数,如唇开口度、舌高度、舌位置、声带张力等。由这些发音参数估计声道截面积函数,进而计算声波。由于人发音生理过程的复杂性,理论计算与物理模拟之间的差异,语音合成的质量暂时还不理想。
(2)声道模型参数合成。声道模型参数合成基于声道截面积函数或声道谐振特性合成语音,如共振峰合成器、LPC合成器。国内外也有不少采用这种技术的语音合成系统。这类合成器的比特率低、音质适中。为改善音质,发展了混合编码技术,主要手段是改善激励,如码本激励、多脉冲激励、长时预测规则码激励等,这样,比特率有所增大,同时音质得到提高。作为压缩编码算法,该合成广泛用于通信系统和多媒体应用系统中。