音频信号的数字化PPT课件

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音频的采集和处理分析ppt课件.ppt

音频的采集和处理
音频的合成
(2) 单击 [Copy]按钮，获取声音素材
(5) 鼠标左键单击波表，确定合成开始位置
(1) 在文件1中设定编辑区域
(7) 调整合成素材的音量
(4) 打开文件2
(6) 单击 [Mix] 按钮
● [操作步骤]
(8) 单击[确定]按钮
(3) 关闭文件1
● 被合成的素材应采样频率一致，格式相同
音频的采集和处理
音频文件格式
MIDI文件(.mid) MIDI—— Musical Instrument Digital Interface，乐器数字化接口文件不是将声音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特点：数据量小
音频的采集和处理
音频文件格式
WMA文件(.wma) WMA——Windows Media Audio，微软公司推出的与MP3格式齐名的一种新的音频格式特点：压缩比和音质方面都超过了MP3，更是远胜于RA，即使在较低的采样频率下也能产生较好的音质
音频的采集和处理
音频文件格式
VOC文件(.voc) Creative公司的波形文件 SND文件(.snd) Macintosh计算机的波形文件
返回
音频的采集和处理
音频处理硬件
声卡的作用数字信号与模拟信号之间的双向转换声卡的类型单板输出功率大，抗干扰，音质好主板集成易受干扰，性能指标比单板略差
功率放大器
音乐合成器
MIDI接口
游戏接口
扬声器
PC总线
地址总线
数据总线
麦克输入
线形输入
CD输入
返回
音频的采集和处理
数字音频的获取与处理

《音频数字化》课件

音频编辑和处理
数字音频工具提供丰富的编辑和处理功能，使音频效果更加精细和个性化。
音频传输和存储
数字音频的压缩和网络传输技术使得音频内容能够快速传输和存储。
音乐播放器和流媒体服务
数字音频技术促进了音乐播放器和流媒体服务的发展，使音乐更普及和便捷。
结语
音频数字化的未来发展充满无限可能，但也面临着一些挑战。只有充分认识和发挥音频数字化的价值和意义，才能更好地应对挑战。
音频数字化的意义
音频数字化使得音频信号能够以数字形式存储、传输和处理，提高音频质量和便捷性。
常见的音频数字化格式
常见的音频数字化格式包括WAV、MP3、AAC、FLAC等。
音频数字化原理
音频数字化涉及模拟信号与数字信号之间的转换，以及ADC和DAC转换器的工作原理。
模拟信号与数字信号
模拟信号是连续变化的信号，而数字信号是离散的信号，可以通过采样和量化将其转换。
1
录制和采集
使用录音设备或计算机软件采集音频信号，并将其转为数字音频。
2
编码和压缩
对数字音频进行编码和压缩，以减少文件大小并提高传输效率。
3
存储和传输
将数字音频保存在存储设备中，或通过网络传输音频格式决定了音频信号的存储和传输方式，常见格式包括WAV、MP3、AAC、FLAC等。
WAV格式
WAV是一种无损音频格式，支持高音质的音频录制和编辑。
MP3格式
MP3是一种有损压缩音频格式，文件大小较小，适合在网络上传输和存储。
AAC格式
FLAC格式
数字音频的应用
数字音频在音频录制、编辑和处理、音频传输和存储、音乐播放器和流媒体服务等方面得到广泛应用。
音频录制

数字化音频处理

数字化音频处理
模拟信息与数字信息区别
1.
模拟信息是连续的，模拟信息是连续的，自然界中的各种信息都是模拟信息。都是模拟信息。数字信息是离散的，由一连串的数字组成，数字信息是离散的，由一连串的数字组成，电脑中的所有信息都是数字信息。电脑中的所有信息都是数字信息。
2.
自然界中的声音是如何在电脑中存储和加工的呢？
5.1.3 声音的数字原理音频信息数字化原理（图1）音频信息数字化原理（
采样
5.1.3 声音的数字原理音频信息数字化原理（图2）音频信息数字化原理（
量化
隔在模拟音频波形采样：每隔一个时间间隔在模拟音频波形上取一个值。量化：就是把采样得到的瞬时值进行幅度量化：就是把采样得到的瞬时值进行幅度离散。编码：是根据一定的协议或格式转换比特编码：是根据一定的协议或格式转换比特流的过程。
【练习】请计算对于双声道立体声、采样频率为44.1kHz、采样位数为16位的激光唱盘（CD-A），用一个650MB的CD-ROM可存放多长时间的音乐？
解：已知音频文件大小的计算公式如下：每秒文件字节数=采样频率（Hz）×采样位数（位）× 声道数/8 根据上面的公式计算一秒钟时间内，采样频率为44.1kHz、采样位数为16位，双声道立体声激光唱盘（CD-A）的不压缩数据量。 (44.1×1000×16×2)/（8×1024×1024）=0.168MB/s 那么，一个650MB的CD-ROM可存放的时间为（650/0.168）/（60×60）=1.07小时答约1个小时即可。
音频的数字化
1.
输入设备——麦克风输入设备——麦克风转换设备——声卡转换设备——声卡输出设备——音箱输出设备——音箱声卡

第3章声音的数字化PPT课件

– 采样：在某些特定的时刻对模拟信号进行测量，即每隔一定的时间测量一次声音信号的幅值；把时间连续的模拟信号转换成时间离散、幅度连续的采样信号；
8
采样（sampling）
– 样本：每次采样都记录下原始模拟声波在某一时刻的状态，称之为样本；将一系列的样本连接起来，就可以描述一段声波了
– 均匀采样：采样的间隔时间相等
24
MIDI
➢ MIDI信息实际上是一段音乐的描述,是数字化的乐谱,包含音符、定时以及键号、通道号、持续时间、音量和击键力度等各个音符的有关信息。
25
MIDI与PCM原理比较
➢ PCM波形编码：把音乐的波形进行数字化采样和编码（记录音乐本身）
➢ 定义和产生乐曲的MIDI信息和数据组存放于MIDI文件中, MIDI文件本身只是一堆数字信号而已，不包含任何声音信息。
未经压缩的数字声音的数据率bs采样频率hz样本精度bit声道数随着电能应用的不断拓展以电能为介质的各种电气设备广泛进入企业社会和家庭生活中与此同时使用电气所带来的不安全事故也不断发生18质量采样频率khz样本精度声道数据率kbs频率范围hz电话单声道6402003400am11025单声道882507000fm2205016立体声70562015000cd44116立体声141122020000dat4816立体声153602020000随着电能应用的不断拓展以电能为介质的各种电气设备广泛进入企业社会和家庭生活中与此同时使用电气所带来的不安全事故也不断发生19除采样频率样本精度声道数影响声音质量外声音录制时环境噪声声卡内部噪声以及采样数据丢失等都会造成音质的下降
300HZ ~ 3kHZ 语音信号（speech）
3
模拟信号与数字信号

第一章音频信号数字化-zhbj

其中a0为直流分量，A1为基波幅值，ω=2πfs为基波角频率，φ1为…
★设有一采样信号如图（b）其频谱为一个频率为nfs的波列
★采样后的波形与频谱，见
图（c）
★信号可恢复的原因：原信号的频谱完好保留，可以通过插补技术将原信号恢复。
★如fs低于信号中最高频率的两倍，将出现频谱混叠，原信号的频谱与下边带无法分开，破坏了原信号的频谱，原信号将无法恢复。
3）D/A转换的时间要求:
当采样频率一定时，A/D和D/A的转换时间必须要小于采样周期T，对音频信号的采样频率为44.1KHz (Ts=23μS)时，一般要求D/A转换的变换时间不大于10μS
4）权电阻网络型D/A转换器：
下图是最简单的4bit权电阻网络D/A转换器，
①电路组成：
★权电阻网络
★4个模拟开关
5）被采样后的信号可恢复的原因：
★设有一音频信号f（t）
图（a）是对其在时域与频域中的描述
（可以给出点一频率信号的频谱分布，不同频率的正弦波可以合成为一个非正弦波，反之一个非正弦波也可以分解为许多单一频率的正弦波。这就是傅利叶变换的基本内容。
=a0+A1sin（ωt+φ1）+A2sin（2ωt+φ2）+。。。。。。。
2）采样保持电路
①构成：由输入缓冲放大器、模拟开关构成及保持电容构成。
②作用：对输入的模拟信号采集样本值
③各部分的作用：
★输入缓冲放大器起阻抗匹配及驱动作用
★模拟开关是个采样开关，接通时送出输入信号在接通时刻的电平值，
★保持电容用以保持采样电平值
★输出缓冲放大器负责信号输出。
④采样保持过程
★模拟开关在采样脉冲的作用下对输入信号采样，t1～t3为采样时间（S）一般不宜过长，

音频的数字化

当采样率和量化等级提高一倍，信号的失真明显减少，信号质量得到了提高。
声音的数字化

采样率和声音质量有关，越高声音的还原就越真实越自然

8,000 Hz - 电话所用采样率, 对于人的说话已经足够 22.05 KHz - FM广播的声音品质 44.1KHz - 是理论上的CD音质界限 48KHz - 人耳的极限

请计算该音频的存储容量。
方法一：10*60*44100*16*2/8/1024/1024MB 方法二：10*60*1411/8/1024 MB
课堂小测
系统中09位图、视频、音频的数字化
音频数字化
声音的数字化
数字化音频的过程如下图所示。
(a) 模拟音频信号
(b) 音频信号的采样
(c) 采样信号的量化
声音的数字化

通过“采样”和“量化”实现波形声音模拟量的数字化。采样频率：每秒所采样的次数，单位为HZ(赫兹)。量化位数：每个采样点所需的二进制位数。
声音的数字化
上图采样率2000Hz，量化等级为20的采样量化过程下图为采样率4000Hz，量化等级为40的采样量化过程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
声音的数字化

Wav声音文件的大小和采样频率、量化位数有关：采样频率越高，声音越真实，存储量也越大量化位数越大，声音越真实，存储量也越大
常识：CD的采样频率为44.1KHz。 Wav声音文件存储量的计算方法：采样频率×时间×量化位数×声道数

在GoldWave软件中录制了一段10分钟的 Wave格式音频，状态信息如图所示：

第3章_数字音频处理技术

▪ 8kHz，11.025kHz，22.05kHz，16kHz，37.8 kHz， 44.1 kHz，48 kHz。
▪ 其中8kHz ，11.025 kHz，22.05 kHz，44.1 kHz 是音频工业标准采样频率，多数声卡都支持。市场上的非专业声卡的最高采样率为48kHz，专业声卡可高达96kHz或以上。
▪ 例如：8位的声音从最低到最高有28，即256个级别，16位声音有216，即65536个级别。位数越多，音质越细腻，但数据量也越大。
❖ 量化位数主要有8位和16位两种。专业级别使用24位甚至32位。
❖量化的方法可以归纳为两类：一类称为均匀量化，另一类称为非均匀量化。
均匀量化
❖ 采用相等的量化间隔对采样得到的信号做量化就是均匀量化。
❖把量化后的值写成有利于计算机传输和存储的数据格式，这称之为编码。
例如，模拟电压幅度、量化和编码的关系
电压范围(V) 0.5～0.7 0.3～0.5 0.1～0.3 -0.1～0.1 -0.3～-0.1 -0.5～-0.3 -0.7～-0.5 -0.9～-0.7
量化 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
编码 011 010 001 000 111 110 101 100
3. 影响声音数字化质量的主要因素
❖ 采样频率：也就是每秒钟需要采集多少个声音样本
❖量化位数：每个声音样本的位数应该是多少，也叫量化精度
❖声道数：指所使用的声音通道的个数
（1）采样频率
❖采样频率决定了声音的保真度。频率以kHz （千赫兹）去衡量。
音频文件格式
▪ VOC：Creative公司的声霸卡(Sound Blaster)使用的波形音频文件格式。
▪ MID：Windows的MIDI文件（MIDI Audio）存储格式。 ▪ MP3： MP3压缩格式文件。

音频处理 ppt课件

（ultrasonic）。 ppt课件
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ppt课件
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声音的频率范围
ppt课件
4
计算机音频处理涉及的内容包括：
• 音频传播媒体特征,也即声波的物理特性。
• 音频的记录和产生方式，包括模/数、数/ 模转换；数据压缩和声音合成。
• 音频数据的编辑处理。
1) 对音频信号的处理方法大致可分为三类：波形编译码器，音源编译码器，混合编译码器。
➢(2) VOC声音文件格式：VOC文件是用于 DOS操作系统下的一种波形文件。
➢(3) AU声音文件格式：用于UNIX操作系统下的一种波形文件。
➢(4) MID文件格式：MID文件是一种记录
数字化音乐的MIDI文件。
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四.音频信号的指标
1. 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。
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➢3．声道数：有单声道、双声道、多声道之分。
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三、常见声音文件的格式
常见的声音文件为：WAV文件、VOC文件、AU文件和MID文件。
➢(1) WAV声音文件格式：WAV文件是从模拟声波采样后得到的一种波形文件，使用于Windows操作系统，其格式是由文件首部与文件数据块组成。
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➢2．波形编码 :波形编码的特点是在高码率的条件下获得高质量的音频信号，适用于高保真度语音和
音乐信号的压缩技术。 (脉冲编码调制(PCM)，实际为直接对声音信号作A／D转换。只要采
样频率足够高，量化位数足够多，就能使解
码后恢复的声音信号有很高的质量。差分脉
冲编码调制(DPCM)，即只传输声音预测值和

第三章音频信号及数字化

3.1.6 采样定理及音频采样频率标准 4. 采样定理
采样频率fs必须高于被采样信号所含最高频率的两倍。
该定理指出：当对连续变化的信号波形进行采样时，若
采样频率fs高于该信号所含最高频率的两倍，那么可以由采
样值通过插补技术正确地恢复原信号的波形，否则将会引起频谱混叠（Aliasing）产生混叠噪声（Aliasing Noise）, 而重叠的部分是不能恢复。这一定理不仅适用于模拟音频信号，也同样适用于模拟视频信号的采样。
2020/3/2
第3章音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.6 采样定理及音频采样频率标准
如fs低于信号中最高频率的两倍，将出现频谱混叠，
原信号的频谱与下边带无法分开，破坏了原信号的频谱，原信号将无法恢复。
2020/3/2
亨利.奈奎斯特(Harry Nyquist)采样定理:当对连续变化的信号波形采样时,若采样频率fs高于该信号所含最高频率的2倍,那么可以由采样值通过插补技术正确地恢复原信号的波形; 44.1kHz作为CD级音频信号的采样频率;
2020/3/2
8．动态范围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。
2020/3/2
第3章音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.1 音频信号及其心理特征 9．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，在频域中则是将音频信号经傅里叶（Fourier）变换后在频率空间的分立或连续的谱线。
2020/3/2
第3章音视频信号及数字化
3.1 音频信号及数字化
3.1.3 为什么要数字化 3. 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、存储的都是数字信息，即“0”、 “1”信号，所以在多媒体中的音频、视频信号必须是数字信号。

模拟声音信号转为数字信号的过程课件.ppt

采样频率：每秒对声音波形采样的次数，即每秒读取点的个数，单位：赫兹（Hz）。
量化：就是将采样得到的幅度值进行数字化。
用若干个声音信号的幅度值来描述的音频信号波形图
将声音信号的幅度值划分为若干等级，每一个等级对应一个数值
量化位数：记录一个数据所使用的二进制位数。
编码：把量化后的值用一组二进制数字代码表示。
模拟声音信号转换为数字信号的过程
声波
电波
麦克风——将声音信号转换为电信号。
*可以上网查询一下麦克风的工作原理。
电波（模拟信号）
电波 (数字信号)
模数转换器
通过取样转换成离散的数字量。
*离散量是指分散开来的、不存在中间值的量。 *计算机使用0、1记录信息，没有0、1之间的小数，即不连续的，这就叫离散。
0010 0110 0111 0101 0010 0011 1001
比特率：表示经过编码（压缩）后的音数据每秒钟需要用多少个比特（最小的二进制单位）来表示。
数字化后影响音频质量的因素
• 采样频率越高，音频质量越高
• 量化位数越高，音频质量越高
• 声道数单声道、双声道（立体声）
• 比特率越高，音频质量越高
模数转换器处理信息的过程
• 采样：以相等的间隔来测量模拟信号的物理量，完成对连续模拟信号的离散化提取。
• 量化：将采样得到的幅度值进行数字化。 • 编码：将量化后的值用一组二进制数字代
码表示。
声音采样：每间隔一段时间在模拟音频波形上读取一个声音信号的幅度值。
模拟音频信号波形示意图
选取更多点来描述音频信号波形图
• 量化位数
16位 (声音量级分为216＝65536级）

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CHENLI
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通过脉冲的 “1”和“0”表现调制信号的大小，完成PCM的过程。
量化级数
二进制等效数字
脉冲编码波形
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
10
1010
11
1011
12
1100
13
1101
14
1110
15
1111
CHENLI
量化位数越多，量化误差（失真）越小。
均匀量化的量化误差的最大绝对值为△/2
CHENLI
量化位数与最大量化信噪比之间的关系：
S/N=6.02N+1.76 dB
每增加一个量化比特，信噪比提高6dB.
19
编码
将量化后的数值用二进制码表示，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码，用n比特二进制码来表示已经量化了的样本值，每个二进制数对应一个量化电平。
CHENLI
音频信号的数字化
5
采样（SAMPLING）
1. 采样定理
2. 混叠失真与限带滤波
3. 采样保持电路
4. 采样脉冲宽度与孔径效应
5. 采样频率
CHENLI
6
1.采样定理
采样又称取样或抽样，是指每隔一定的时间间隔，抽取信号的一个瞬时幅度值。这样就把时间上连续变化的无限个样值变成离散的有限个样值的过程。
CHENLI
相应的，在D/A转换器之后要设置内插低通滤波器（防镜像滤波器），以滤除多余的高频分量，只把原信号取出来。
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理想的滤波器 a) 平坦的通带 b) 陡直的滤波特性 c) 无穷大的阻带衰减
实际的滤波器 a) 通带不是完全平坦 b) 有比较温和的过渡带下降
所以采样频率应稍大于信号最高频率 fs ＝ (2.1-2.5)fm
主要发生在输入/输出缓冲放大器处 2. 捕捉时间
需要小电容
取样命令发出时刻到得到样值的时刻的时间间隔 3. 平顶降落
需要大电容
由于电容电荷的泄露，使得保持的样值产生下降
CHENLI
13
常使用聚丙烯和聚四氟乙烯制作的高品质电容（反应速度快，电荷持久）
4.采样脉冲宽度与孔径效应
由于采样信号并非理想的冲击序列，而是有一定宽度的脉冲信号，所以会使恢复的模拟信号的高频特性产生失真，这种效应称为孔径效应。
CHENLI
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3.采样保持电路（S/H）
完成采样和保持功能的电路。
保持功能是为了在对采样点量化的这段时间内将采样值保持不变。
采样阶段：开关闭合时，输入电压对电容充电，同时直接作为输出电压保持阶段：开关断开后，用电容器上所充的电荷使输出电压保持开关断开前的电压。
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采样保持电路的主要参数 1. 失调误差
采样：每隔一定时间抽取一个样本
量化：用有限长数字量逼近模拟量
编码：量化的数字变成二进制数码
CHENLI
比特：
用高、低两种电平表示脉冲序列中的基本单元
字节：
4
一个字节等于8位二进制
2.2音频信号的数字化
ADC（A/D） Analogue Digital Conversion模数变化，用一系列数码来代替连续变化的声音
CHENLI
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CHENLI
当采样脉冲宽度为采样周期的1/4时，孔径效应就可以忽略了。
15
5.采样频率
目前常用的音频采样频率有48kHz，44.1kHz，32kHz， 96kHz，192kHz……
音频信号的采样频率选取原则 1. 音频信号的最高频率 2. 防混叠低通滤波器的截止特性 3. 以录像机作为记录设备时，便于形成伪视频信号CH。ENLI
16
量化
量化：把幅度上连续变化的样本值离散化，变换为有限个样本值。
量化精度（RESOLUTION）
f t V 1.461.5 1.521.5
1 .5
量化级数 M
1 .4 1 .3
1.221.2
量化位数（比特数）n
1 .2 1 .1
1 .0
0.870.9
0.890.9
M2n
0 .9 0 .8
CHENLI
8
2.混叠失真与限带滤波
不满足采样定理的条件，采样后的信号就会发生频谱混叠现象，从而产生频谱混叠失真。
混叠后，信号的高频成分会抬升，导致频率失真
为了防止产生混叠失真,当采样频率确定后,必须限制原模拟信号的上限频率。因此，一般在采样之前设置一个低通滤波器，滤除高于fs/2的频率，这一低通滤波器也叫防混叠滤波器。
2
本节学习目标：熟悉音频信号数字化的过程。掌握均匀量化的原理。理解“量化”是数字音频信号产生失真的主要根源。掌握量化信噪比与量化比特数之间的关系。熟悉常见的音频信号采样频率及量化精度。 CHENLI
3
音频信号的数字化
数字化：
将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号（脉冲编码调制，PCM）
0 .7
0.460.5
0 .6 0 .5
0.340.3
0 .4
0.220.2
量化步长
0 .3
0 .2 0 .1
0.060.1
ba
TS
M
量化级数越大，量化位数越多，量化步长越小。
量化误差（量化噪声）
量化误差即为采样值与量化值之间的差值。
任一时刻的量化误差是可以从输入信号求出的。
量化误差在信号中表现类似于噪声，也有很宽的频谱，所以也被称为量化噪声。
21
总结PCM的三个步骤
1. 采样：时间离散化 2. 量化：幅值离散化 3. 编码：数值二值化
CHENLI
22
2.3 A/D转换器
对数字音频来说，A/D转换器的性能对音质具有决定性的影响
数字音频系统中常用的A/D转换器有
逐次比较式
级联积分式
过采样式
I
vI(t)
vI’ (t)
0
vS
0 TS
t
0
t
t
CHENLI
脉冲序列的采样频率fs (sampling rate) ，即每秒钟采样的次数。采样时间采样后得出的一系列在时间上离散的样本值称为样值序列。7
采样频率要大于或等于被采样信号最高频率的2倍，就可以无失真地恢复出原始的模拟信号。 fs ≥ 2fm。否则，采样后的信号频谱会发生混叠现象。
第二章音频信号的数字化
CHENLI
1
2.1音频信号数字化的优势
音频信号数字化后可以避免模拟信号容易受噪声和干扰的影响
可以扩大音频的动态范围
可以利用计算机进行数据处理
节省存储空间和成本
易于加密处理
CHENLI
可以不失真的远距离传输
可以与图像、视频等其他媒体信息进行多路复用，以实现多媒体化和网络化