音頻信號(hào)及其處理

1、第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.12.1聲音信號(hào)聲音信號(hào)2.22.2數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)2.32.3語(yǔ)音編碼技術(shù)語(yǔ)音編碼技術(shù)2.1.1 2.1.1 聲音信號(hào)的物理特征聲音信號(hào)的物理特征2.1.2 2.1.2 聲音信號(hào)的數(shù)字化處理聲音信號(hào)的數(shù)字化處理2.1.3 2.1.3 電子樂器數(shù)字接口電子樂器數(shù)字接口(midi)(midi)系統(tǒng)系統(tǒng)2.2.1 2.2.1 數(shù)據(jù)壓縮及其必要性數(shù)據(jù)壓縮及其必要性2.2.2 2.2.2 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的分類數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的分類2.2.3 2.2.3 信源的數(shù)字化與壓縮系統(tǒng)評(píng)價(jià)信源的數(shù)字化與壓縮系統(tǒng)評(píng)價(jià)2.2.4 2.2.4 壓縮的理論極限壓縮的

2、理論極限 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.32.3語(yǔ)音編碼技術(shù)語(yǔ)音編碼技術(shù) 2.3.12.3.1話音編碼概要話音編碼概要2.3.2 2.3.2 脈沖編碼調(diào)制脈沖編碼調(diào)制(pcm)(pcm)2.3.3 pcm2.3.3 pcm在通信中的應(yīng)用在通信中的應(yīng)用2.3.4 2.3.4 增量調(diào)制與自適應(yīng)增量調(diào)制增量調(diào)制與自適應(yīng)增量調(diào)制2.3.5 2.3.5 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制2.3.6 2.3.6 子帶編碼子帶編碼2.3.7 2.3.7 線性預(yù)測(cè)編碼線性預(yù)測(cè)編碼(lpc)(lpc)2.3.8 gsm2.3.8 gsm編譯碼器簡(jiǎn)介編譯碼器簡(jiǎn)介第二章第二章 音頻信

3、號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.1 2.1 聲音信號(hào)聲音信號(hào)2.1.1 2.1.1 聲音信號(hào)的物理特征聲音信號(hào)的物理特征 圖圖2 201 01 聲音是一種連續(xù)的波聲音是一種連續(xù)的波 1頻率和振幅聲音信號(hào)又兩個(gè)基本的參數(shù)：頻率和振幅。聲音按照頻率分為三種類型：次聲、可聽聲、超聲。低于20hz的聲音為次聲，或稱為亞音信號(hào)(subsonic)；可聽聲的聲音頻率范圍為2020000 hz；高于20000 hz的聲音為超聲，或稱超聲波(ultrasonic)信號(hào)。多媒體計(jì)算機(jī)中處理的聲音主要指可聽聲。頻率能反映出聲音的聲調(diào)，我們所聽到的聲音如果細(xì)尖表示頻率高，聲音粗低表示頻率低。第二章第二章 音頻信號(hào)及

4、其處理音頻信號(hào)及其處理 一般情況下人說話的話音信號(hào)的頻率范圍在一般情況下人說話的話音信號(hào)的頻率范圍在3003000 hz3003000 hz，稱為稱為話音話音(speech)(speech)信號(hào)，信號(hào)，在這種頻率范圍里感知的聲音幅度大約在在這種頻率范圍里感知的聲音幅度大約在0 0120 db120 db之間。之間。聲音信號(hào)的另一個(gè)基本參數(shù)是聲音信號(hào)的另一個(gè)基本參數(shù)是振幅振幅，它表示聲音信號(hào)的，它表示聲音信號(hào)的強(qiáng)弱強(qiáng)弱。聲。聲音信號(hào)的強(qiáng)度相差很大，從可以聽見的最弱聲到最強(qiáng)聲，其強(qiáng)度音信號(hào)的強(qiáng)度相差很大，從可以聽見的最弱聲到最強(qiáng)聲，其強(qiáng)度相差相差1 1萬億倍。聲音的強(qiáng)弱采用萬億倍。聲音的強(qiáng)弱采用分

5、貝分貝作為量綱，區(qū)別兩個(gè)強(qiáng)度作為量綱，區(qū)別兩個(gè)強(qiáng)度i i和和i i0 0的分貝數(shù)（的分貝數(shù)（dbdb）是：）是：聲音分貝數(shù)聲音分貝數(shù) = 10= 10* *log(i/ ilog(i/ i0 0 ) ) 在心理上，聲音有兩個(gè)最重要的量綱，即在心理上，聲音有兩個(gè)最重要的量綱，即響度和音調(diào)響度和音調(diào)，其，其他還有他還有音色、和諧、不和諧音色、和諧、不和諧等等 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 振幅和頻率不變的聲音信號(hào)為振幅和頻率不變的聲音信號(hào)為單音單音，或稱純音。，或稱純音。我們將不同我們將不同的振幅和頻率合成得到的聲音信號(hào)稱為的振幅和頻率合成得到的聲音信號(hào)稱為復(fù)音復(fù)音。2 2單音和

6、復(fù)音單音和復(fù)音復(fù)音復(fù)音基頻：基頻：是決定聲音音調(diào)的基本因素是決定聲音音調(diào)的基本因素 諧音諧音 基頻和諧音合成復(fù)音，形成了聲音的不同音質(zhì)基頻和諧音合成復(fù)音，形成了聲音的不同音質(zhì)和音色。和音色。 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.1.2 聲音信號(hào)的數(shù)字化處理1模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)我 們 把 在 時(shí) 間 和 幅 度 上 都 是 連 續(xù) 的 信 號(hào) 稱 為 模 擬 信 號(hào) 。在某些特定的時(shí)刻對(duì)這種模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量叫做采樣(sampling)，由這些特定時(shí)刻采樣得到的信號(hào)稱為離散時(shí)間信號(hào)。采樣得到的幅值是無窮多個(gè)實(shí)數(shù)值中的一個(gè)，因此幅度還是連續(xù)的。如果把信號(hào)幅度取值的數(shù)目加以限定，這種由

7、有限個(gè)數(shù)值組成的信號(hào)就稱為離散幅度信號(hào)。我們把時(shí)間和幅度都用離散的數(shù)字表示的信號(hào)就稱為數(shù)字信號(hào)。話筒和攝像機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)經(jīng)過采樣可獲得離散信號(hào)。離散信號(hào)經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換變成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)就可以直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 聲音進(jìn)入計(jì)算機(jī)的第一步就是數(shù)字化，數(shù)字化實(shí)際上就是采樣和量聲音進(jìn)入計(jì)算機(jī)的第一步就是數(shù)字化，數(shù)字化實(shí)際上就是采樣和量化化。連續(xù)幅度的離散化通過量化。連續(xù)幅度的離散化通過量化(quantization)(quantization)來實(shí)現(xiàn)，就是把信來實(shí)現(xiàn)，就是把信號(hào)的強(qiáng)度劃分成一小段一小段，如果幅度的劃分是

8、等間隔的，就稱號(hào)的強(qiáng)度劃分成一小段一小段，如果幅度的劃分是等間隔的，就稱為為線性量化線性量化，否則就稱為，否則就稱為非線性量化非線性量化。聲音數(shù)字化需要回答兩個(gè)問題：聲音數(shù)字化需要回答兩個(gè)問題：每秒鐘需要采集多少個(gè)聲音樣每秒鐘需要采集多少個(gè)聲音樣本，也就是采樣頻率本，也就是采樣頻率(f(fs s) )是多少，是多少，每個(gè)聲音樣本的位數(shù)每個(gè)聲音樣本的位數(shù)(bit per (bit per samplesample，bps)bps)應(yīng)該是多少，也就是量化精度。應(yīng)該是多少，也就是量化精度。圖圖2 204 04 聲音的采樣和量化聲音的采樣和量化 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 3采樣定

9、理采樣頻率的高低是根據(jù)奈奎斯特理論(nyquist theory)和聲音信號(hào)本身的最高頻率決定的。奈奎斯特理論指出，采樣頻率不應(yīng)低于聲音信號(hào)最高頻率的兩倍，這樣就能把以數(shù)字表達(dá)的聲音還原成原來的聲音，這叫做無損數(shù)字化(lossless digitization)。采樣定律用公式表示為fs = 2f 或者 ts = t/2其中f為被采樣信號(hào)的最高頻率。例如，電話話音的信號(hào)頻率約為3.4 khz，采樣頻率就選為8 khz。如果不遵循采樣定理，則必然造成誤差，通常稱為混疊效稱為混疊效應(yīng)應(yīng)。為了更好地防止混疊效應(yīng)，一是對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除高頻成分，使信號(hào)的最高頻率限制在f fmaxmax之內(nèi)。其二是嚴(yán)

10、格依據(jù)定理，以2*f fmamax的頻率進(jìn)行采樣。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 4 4采樣精度、采樣位數(shù)、聲道數(shù)采樣精度、采樣位數(shù)、聲道數(shù)采樣數(shù)據(jù)位數(shù)（采樣數(shù)據(jù)位數(shù)（sampling datasampling data）也稱）也稱量化精度，是指每個(gè)采樣點(diǎn)量化精度，是指每個(gè)采樣點(diǎn)在在a/da/d轉(zhuǎn)換后所表示的數(shù)據(jù)范圍。常用的轉(zhuǎn)換后所表示的數(shù)據(jù)范圍。常用的采樣數(shù)據(jù)位數(shù)有：采樣數(shù)據(jù)位數(shù)有：8bit8bit，14bit14bit，16bit16bit。位數(shù)越少，聲音的質(zhì)量越低，需要的存儲(chǔ)空間越少。位數(shù)越少，聲音的質(zhì)量越低，需要的存儲(chǔ)空間越少。采樣精度的另一種表示方法是信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱

11、為信噪比采樣精度的另一種表示方法是信號(hào)噪聲比，簡(jiǎn)稱為信噪比(signal-to-noise ratio,snr)(signal-to-noise ratio,snr)，并用下式計(jì)算：，并用下式計(jì)算： snrsnr 10 log (v10 log (vsignalsignal) )2 2 / (v / (vnoisenoise) )2 2 20 log (v20 log (vsignalsignal / v / vnoisenoise) )其中，其中，v vsignalsignal表示信號(hào)電壓，表示信號(hào)電壓，v vnoisenoise表示噪聲電壓；表示噪聲電壓；snrsnr的單位為分貝的單位為分

12、貝(db)(db)。 例例1 1：假設(shè)假設(shè)v vnoisenoise1 1，采樣精度為，采樣精度為1 1位表示位表示v vsignalsignal2 21 1，它的信噪比，它的信噪比snrsnr6 6分貝。分貝。 例例2 2：假設(shè)假設(shè)v vnoisenoise1 1，采樣精度為，采樣精度為1616位表示位表示v vsignalsignal2 21616，它的信噪，它的信噪比比snrsnr9696分貝。分貝。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 早期的收錄機(jī)是以單聲道進(jìn)行錄放的。如果同時(shí)記錄兩個(gè)聲道的信號(hào)，即稱其為雙聲道（立體聲）錄音。立體聲技術(shù)更能反映人們的聽覺效果，現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)感強(qiáng)，所

13、以得到廣泛應(yīng)用。一個(gè)聲音文件的數(shù)據(jù)量可由下列公式推導(dǎo)出來： （采樣頻率采樣頻率* *采樣數(shù)據(jù)位數(shù)采樣數(shù)據(jù)位數(shù)* *聲道數(shù)）聲道數(shù)）/8 = /8 = 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)/ /秒（秒（b/sb/s） 如果對(duì)每個(gè)取樣的幅度值用r位二進(jìn)制編碼（r比特）表示，就得到數(shù)字信號(hào)的傳輸速率或比特率i，i=fs*r(bit/s 或 b/s) 當(dāng)信號(hào)帶寬給定從而fs已知且不變時(shí)，傳輸速率就簡(jiǎn)單地由采樣位數(shù)r來確定。在有關(guān)編碼的文獻(xiàn)及書本中，比特率（或數(shù)碼率、碼率、速率、數(shù)據(jù)率）用來表示i和r，具體指哪一個(gè)從其量綱即可以確定，不會(huì)混淆。一般傳輸時(shí)多用i，存儲(chǔ)時(shí)多用r。 容量第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理

14、 單單 聲聲 道道立立 體體 聲聲1616位位8 8位位1616位位8 8位位4 4 . 1 4 4 . 1 khzkhz5.28 m5.28 m2.64 m2.64 m10.56 m10.56 m5.28 m5.28 m2 2 . 0 5 2 2 . 0 5 khzkhz2.64 m2.64 m1.32 m1.32 m5.28 m5.28 m2.64 m2.64 m11.025 11.025 khzkhz1.32 m1.32 m0.66 m0.66 m2.64 m2.64 m1.32 m1.32 m采樣頻率采樣頻率容量容量表表2-1 2-1 采樣方式與所需占用的存儲(chǔ)容量的關(guān)系采樣方式與所需占

15、用的存儲(chǔ)容量的關(guān)系第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 5 5常見的音頻信號(hào)常見的音頻信號(hào) 常見的音頻信號(hào)主要有：常見的音頻信號(hào)主要有：電話音頻信號(hào)電話音頻信號(hào)、調(diào)頻調(diào)幅無線電廣播音頻信號(hào)調(diào)頻調(diào)幅無線電廣播音頻信號(hào)和和高保真的立體聲音頻信號(hào)高保真的立體聲音頻信號(hào)。由。由于其用途不同，這些音頻信號(hào)的于其用途不同，這些音頻信號(hào)的帶寬帶寬也各不相同，而且在音響也各不相同，而且在音響設(shè)備中，通常以帶寬來衡量聲音的質(zhì)量。設(shè)備中，通常以帶寬來衡量聲音的質(zhì)量。 數(shù)字激光唱盤（數(shù)字激光唱盤（cd）fm無線電廣播無線電廣播am無線電廣播無線電廣播電電 話話 10 20 50 200 3400 7k 1

16、5k 20k 圖圖2-052-05音頻信號(hào)的帶寬音頻信號(hào)的帶寬 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 6 6質(zhì)量的評(píng)價(jià)質(zhì)量的評(píng)價(jià)客觀客觀質(zhì)量度量：質(zhì)量度量：信噪比信噪比(signal to niose(signal to niose ratio ratio，snr)snr) 峰值信噪比（峰值信噪比（psnrpsnr）主觀主觀質(zhì)量度量質(zhì)量度量 主觀平均主觀平均(mean opinion score(mean opinion score，mosmos) )分分 綜合法，一般以主觀為主。綜合法，一般以主觀為主。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)質(zhì)量級(jí)別質(zhì)量級(jí)別失真級(jí)別

17、失真級(jí)別5 5優(yōu)優(yōu)(excellent)(excellent)無察覺無察覺4 4良良(good)(good)( (剛剛) )察覺但不討厭察覺但不討厭3 3中中(fair)(fair)( (察覺察覺) )有點(diǎn)討厭有點(diǎn)討厭2 2差差(poor)(poor)討厭但不反感討厭但不反感1 1劣劣(bad)(bad)極討厭極討厭( (令人反感令人反感) )第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 7 7音頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范音頻信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 表表2-042-04 數(shù)字電話的編碼標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電話的編碼標(biāo)準(zhǔn) 組組 織織isoisoccittccittgsmgsmctiactiansansa標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)準(zhǔn) g.

18、711g.711g.721g.721g.728g.728gsmgsmgiagia 制定時(shí)制定時(shí)間間1992199219721972198419841992199219831983198919891989198919821982傳輸率傳輸率kb/skb/s12812864643232161613138 84.84.82.42.4編碼算編碼算法法 pcmpcmadpcadpcm ml d -l d -c e lc e lp prpe-rpe-ltltvselvselp pcelcelp plpclpc質(zhì)質(zhì) 量量5.05.04.34.34.14.14.04.03.73.73.83.83.23.22.

19、52.5使用場(chǎng)使用場(chǎng)合合cdcd長(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)途電話網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信移動(dòng)通信保密電話保密電話第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.1.3 電子樂器數(shù)字接口(midi)系1. midi簡(jiǎn)介midi是musical instrument digital interface的首寫字母組合詞，可譯成“電子樂器數(shù)字接口”。用于在音樂合成器(music synthesizers)、樂器(musical instruments)和計(jì)算機(jī)之間交換音樂信息的一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。midi是樂器和計(jì)算機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，是一套指令(即命令的約定) 。midi標(biāo)準(zhǔn)之所以受到歡迎，主要是它有下列幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：生成的文件比

20、較小、容易編輯、可以作背景音樂。產(chǎn)生midi樂音的方法很多，一種是(frequency modulation，fm)fm合成法，另一種是樂音樣本合成法，也稱為波形表wavetable)合成法。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2 2fmfm合成合成 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 3 3樂音樣本合成樂音樣本合成第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 fmfm合成法：各種不同樂音的產(chǎn)生是通過組合各種波形和各種合成法：各種不同樂音的產(chǎn)生是通過組合各種波形和各種波形參數(shù)并采用各種不同的方法實(shí)現(xiàn)的。用什么樣的波形作為波形參數(shù)并采用各種不同的方法實(shí)現(xiàn)的。用什么樣的波

21、形作為數(shù)字載波波形、用什么樣的波形作為調(diào)制波形、用什么樣的波數(shù)字載波波形、用什么樣的波形作為調(diào)制波形、用什么樣的波形參數(shù)去組合才能產(chǎn)生所希望的樂音，這就是形參數(shù)去組合才能產(chǎn)生所希望的樂音，這就是fmfm合成器的算法。合成器的算法。 使用使用fmfm合成法來產(chǎn)生各種逼真的樂音是相當(dāng)困難的，有些樂合成法來產(chǎn)生各種逼真的樂音是相當(dāng)困難的，有些樂音幾乎不能產(chǎn)生，因此很自然地就轉(zhuǎn)向樂音樣本合成法。音幾乎不能產(chǎn)生，因此很自然地就轉(zhuǎn)向樂音樣本合成法。這種這種方法就是把真實(shí)樂器發(fā)出的聲音以數(shù)字的形式記錄下來，播放方法就是把真實(shí)樂器發(fā)出的聲音以數(shù)字的形式記錄下來，播放時(shí)改變播放速度，從而改變音調(diào)周期，生成各種音

22、階的音符時(shí)改變播放速度，從而改變音調(diào)周期，生成各種音階的音符。 樂音樣本合成器所需要的輸入控制參數(shù)比較少，可控的數(shù)字樂音樣本合成器所需要的輸入控制參數(shù)比較少，可控的數(shù)字音效也不多，大多數(shù)采用這種合成方法的聲音設(shè)備都可以控制音效也不多，大多數(shù)采用這種合成方法的聲音設(shè)備都可以控制聲音包絡(luò)的聲音包絡(luò)的adsradsr參數(shù)，產(chǎn)生的聲音質(zhì)量比參數(shù)，產(chǎn)生的聲音質(zhì)量比fmfm合成方法產(chǎn)生的聲合成方法產(chǎn)生的聲音質(zhì)量要高。音質(zhì)量要高。 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 4 4midimidi系統(tǒng)系統(tǒng) midimidi協(xié)議提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的和有效的方法，用來把演奏信協(xié)議提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的和有效的方法，用

23、來把演奏信息轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)。息轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)。midimidi信息是以信息是以“midi messages”midi messages”傳輸?shù)?，傳輸?shù)?，它可以被認(rèn)為是告訴音樂合成器它可以被認(rèn)為是告訴音樂合成器(music synthesizer)(music synthesizer)如何演如何演奏一小段音樂的一種指令，而合成器把接收到的奏一小段音樂的一種指令，而合成器把接收到的midimidi數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成聲音。國(guó)際成聲音。國(guó)際midimidi協(xié)會(huì)協(xié)會(huì)(international midi association)(international midi association)出版的出版的

24、midi 1.0midi 1.0規(guī)范對(duì)規(guī)范對(duì)midimidi協(xié)議作了完整的說明。協(xié)議作了完整的說明。 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 圖圖2-11 midi2-11 midi的通道概念的通道概念66第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 圖圖2-12 2-12 復(fù)雜復(fù)雜midimidi系統(tǒng)系統(tǒng) 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 圖圖2-13 2-13 使用使用pcpc機(jī)構(gòu)成的機(jī)構(gòu)成的midimidi系統(tǒng)系統(tǒng) 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.2 數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓縮基礎(chǔ) 人類社會(huì)已進(jìn)入信息時(shí)代。而信息的本質(zhì)，則要求交流和人類社會(huì)已進(jìn)入信息

25、時(shí)代。而信息的本質(zhì)，則要求交流和傳播。于是就產(chǎn)生了傳播。于是就產(chǎn)生了“通信通信”和和“存儲(chǔ)存儲(chǔ)”。這兩個(gè)物理過程，均。這兩個(gè)物理過程，均可以采用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型來概括，如圖可以采用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型來概括，如圖2-2-1所示。所示。 信源信源信宿信宿信源編碼信源編碼信源解碼信源解碼信道編碼信道編碼信道解碼信道解碼調(diào)調(diào) 制制傳 輸 通傳 輸 通道道解解 調(diào)調(diào)信信 源源 編編 碼碼信信 道道 解解 碼碼信道信道噪噪 聲聲圖圖2-2-1 2-2-1 統(tǒng)一的數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型統(tǒng)一的數(shù)字傳輸系統(tǒng)模型 第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 圖中信源編碼和信源解碼即為本課程所要研究

26、的內(nèi)容，統(tǒng)稱為信源圖中信源編碼和信源解碼即為本課程所要研究的內(nèi)容，統(tǒng)稱為信源解碼；而信道編碼和信道解碼統(tǒng)稱為信道編碼。解碼；而信道編碼和信道解碼統(tǒng)稱為信道編碼。信源解碼信源解碼：主要解決有效性問題。通過對(duì)信源的壓縮、擾亂、：主要解決有效性問題。通過對(duì)信源的壓縮、擾亂、加密等一系列處理，力求用最少的數(shù)碼傳遞最大的信息量，使信號(hào)加密等一系列處理，力求用最少的數(shù)碼傳遞最大的信息量，使信號(hào)更適宜傳輸。更適宜傳輸。 信道編碼信道編碼：主要解決可靠性問題。即盡量使處理過的信號(hào)在傳：主要解決可靠性問題。即盡量使處理過的信號(hào)在傳輸過程中不出錯(cuò)或少出錯(cuò)，即使出了錯(cuò)也要能自動(dòng)檢錯(cuò)和盡量糾錯(cuò)。輸過程中不出錯(cuò)或少出錯(cuò)

27、，即使出了錯(cuò)也要能自動(dòng)檢錯(cuò)和盡量糾錯(cuò)。如果信道編碼的糾錯(cuò)能力足以保證對(duì)數(shù)字序列的無誤差解碼，則圖如果信道編碼的糾錯(cuò)能力足以保證對(duì)數(shù)字序列的無誤差解碼，則圖2-2-12-2-1中的信道編碼、解碼器（簡(jiǎn)寫為中的信道編碼、解碼器（簡(jiǎn)寫為codeccodec，即，即coder+decodercoder+decoder），），調(diào)制、解調(diào)器（簡(jiǎn)寫為調(diào)制、解調(diào)器（簡(jiǎn)寫為modemmodem，即，即modulator + demodulatormodulator + demodulator），以），以及實(shí)際的物理傳輸通道（模擬信道），有時(shí)集中成一個(gè)理想的方框，及實(shí)際的物理傳輸通道（模擬信道），有時(shí)集中成一個(gè)理

28、想的方框，叫作無噪聲數(shù)字信道，如圖叫作無噪聲數(shù)字信道，如圖2-2-12-2-1中的虛線右邊部分。而模擬信道中的虛線右邊部分。而模擬信道加上加上modemmodem構(gòu)成的方框，即為一個(gè)實(shí)際的數(shù)字信道。構(gòu)成的方框，即為一個(gè)實(shí)際的數(shù)字信道。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.2.1 2.2.1 數(shù)據(jù)壓縮及其必要性數(shù)據(jù)壓縮及其必要性 數(shù)據(jù)壓縮，就是以最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，減少容納數(shù)據(jù)壓縮，就是以最少的數(shù)碼表示信源所發(fā)的信號(hào)，減少容納給定消息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間。給定消息集合或數(shù)據(jù)采樣集合的信號(hào)空間。所謂信號(hào)空間即被壓縮的對(duì)象是指：所謂信號(hào)空間即被壓縮的對(duì)象是指：1 1、

29、物理空間、物理空間，如硬盤、磁盤、磁帶等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)；，如硬盤、磁盤、磁帶等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)；2 2、時(shí)間空間、時(shí)間空間，如傳輸給定消息集合所需要的時(shí)間；，如傳輸給定消息集合所需要的時(shí)間；3 3、電磁頻譜區(qū)域、電磁頻譜區(qū)域，如為傳輸給定消息集合所要求的帶寬等。，如為傳輸給定消息集合所要求的帶寬等。 也就是所信號(hào)空間是指某信號(hào)集合所占的空域、時(shí)域和頻域空也就是所信號(hào)空間是指某信號(hào)集合所占的空域、時(shí)域和頻域空間。信號(hào)空間的這幾種形式是相互關(guān)聯(lián)的：存儲(chǔ)空間的減少也意味間。信號(hào)空間的這幾種形式是相互關(guān)聯(lián)的：存儲(chǔ)空間的減少也意味著傳輸效率的提高和占用帶寬的節(jié)省。著傳輸效率的提高和占用帶寬的節(jié)省。 第二章第二

30、章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 采用數(shù)字技術(shù)具有許多優(yōu)越性，但也使數(shù)據(jù)量大增。就是取樣采用數(shù)字技術(shù)具有許多優(yōu)越性，但也使數(shù)據(jù)量大增。就是取樣率最低的數(shù)字電話，按每一取樣用率最低的數(shù)字電話，按每一取樣用8 bit8 bit壓擴(kuò)量化，通常也需要壓擴(kuò)量化，通常也需要i=8i=88=64kb/s8=64kb/s的數(shù)碼率（也寫作的數(shù)碼率（也寫作64kbps64kbps）；一路）；一路palpal制彩色數(shù)字電制彩色數(shù)字電視，若采用視，若采用3 3路副載頻采樣，每像素（路副載頻采樣，每像素（pixelpixel，即，即picture+elementpicture+element，常簡(jiǎn)寫為常簡(jiǎn)寫為pel

31、pel或或p p）8bit8bit編碼，數(shù)碼率為編碼，數(shù)碼率為i=4.43i=4.433 38=106.3mb/s8=106.3mb/s。若實(shí)時(shí)傳送，需占用上述的數(shù)字話路若實(shí)時(shí)傳送，需占用上述的數(shù)字話路16601660個(gè)，若能將其壓縮到原來個(gè)，若能將其壓縮到原來的的1/31/3，即可同時(shí)增設(shè)，即可同時(shí)增設(shè)11001100路數(shù)字電話；而一路高清晰度電視路數(shù)字電話；而一路高清晰度電視hdtvhdtv（high definition televisionhigh definition television，又稱高分辨率電視），數(shù)碼率更，又稱高分辨率電視），數(shù)碼率更高達(dá)高達(dá)i=1280i=128072

32、072060603 38=1327mb/s8=1327mb/s，相當(dāng)于，相當(dāng)于1313路普通數(shù)字電視。路普通數(shù)字電視。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 由此可見，信息時(shí)代帶來了由此可見，信息時(shí)代帶來了“信息爆炸信息爆炸”。數(shù)據(jù)壓縮的作用及其。數(shù)據(jù)壓縮的作用及其社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益將越來越明顯。反之，不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，則社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益將越來越明顯。反之，不進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，則無論傳輸或存儲(chǔ)都很難實(shí)用化。無論傳輸或存儲(chǔ)都很難實(shí)用化。而數(shù)據(jù)壓縮的好處而數(shù)據(jù)壓縮的好處就在于：就在于： 1 1、較快地傳輸各種信源（降低信道占有費(fèi)用）、較快地傳輸各種信源（降低信道占有費(fèi)用）-時(shí)間域時(shí)間域的壓的壓

33、縮；縮； 2 2、在現(xiàn)有通信干線上開通更多的并行業(yè)務(wù)（如電視、傳真、在現(xiàn)有通信干線上開通更多的并行業(yè)務(wù)（如電視、傳真、可視電話等）可視電話等）-頻率域頻率域的壓縮；的壓縮； 3 3、降低發(fā)射機(jī)功率、降低發(fā)射機(jī)功率-能量域能量域的壓縮；的壓縮； 4 4、緊縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量（降低存儲(chǔ)費(fèi)用）緊縮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量（降低存儲(chǔ)費(fèi)用）-空間域空間域的壓縮。的壓縮。第二章第二章 音頻信號(hào)及其處理音頻信號(hào)及其處理 2.2.2 2.2.2 數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的分類數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的分類數(shù)據(jù)壓縮的分類方法很多，估計(jì)不少于幾十種，到目前為數(shù)據(jù)壓縮的分類方法很多，估計(jì)不少于幾十種，到目前為止尚未統(tǒng)一。而比較一致的分類方法，是將數(shù)據(jù)壓縮分為在某種止尚未統(tǒng)一。而比較一致的分類方法，是將數(shù)據(jù)壓縮分為在某種程度上可逆的與實(shí)際上不可逆的兩類，這樣更能說明它們的本質(zhì)程度上可逆的與實(shí)際上不可逆的兩類，這樣更能說明它們的本質(zhì)區(qū)別。區(qū)別。 1 1、 可逆壓縮可逆壓縮也叫作無失真編碼、無噪聲編碼（也叫作無失真編碼、無噪聲編碼（noiseless codingnoiseless coding）、冗余度）、冗余度壓減（壓減（redundancy reductionredundancy reduction）、熵編碼（）、熵編碼（entropy codingentropy coding）、）、