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主讲：夏洪文 本章要点 音频信号特征及其指标 PCM编码原理 MPEG数字音频压缩编码 电子合成音乐—MIDI 第四章 音频媒体及应用 在多媒体系统中，声音是指人耳能识别的音频信息。计算机音频处理涉及的内容包括：音频媒体传播特征，也即声波的物理特性；音频信息的记录和产生方式；音频数据的编辑处理等。对音频信号的处理方法大致可分为两类：一种是数字音频方式，另一种是分析－合成的方式。本章首先介绍音频信号的特点、分析对音频信号的两种处理方式，然后介绍数字音频的采样与量化，最后介绍音乐合成与MIDI。 4.1 音频媒体概述 4.1.1 音频信号的特征 根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声波又可以分解为正弦波的叠加。声音的三个要素是音调、音强和音色。声波或正弦波有三个重要参数：频率ω0、幅度An和相位ψn，这三个参数也就决定了音频信号的特征：基频与音调，谐波与音色，幅度与音强，频带与音宽的关系。 4.1.1 音频信号的特征  声音信号f（t0）是一种周期性的复合信号，它的特征就是其中许多单一信号即正弦波信号AnSin（nωot+ψn）的特性，也即幅度An频率ωo和相位ψn的特征决定了音频信号的特性： 4.1.1 音频信号的特征 1、基频与音调：频率是指信号每秒钟变化的次数，其中ωO为t0时刻的基频或基音。人对声音频率的感觉表现为音调的高低，在音乐中称为音高。音调正是由频率ω所决定的。音乐中音阶的划分是在频率的对数坐标（20×log）上取等分而得的 4.1.1 音频信号的特征 2．谐波与音色 n×ωO称为ωO的n次谐波分量或高次谐波分量，也称为泛音。音色是由混入基音的泛音所决定的，高次谐波越丰富，音色就越有明亮感和穿透力。不同的谐波还具有不同的幅值An和相位偏移ψn，由此产生千变万化的音色效果。 4.1.1 音频信号的特征 3．幅度与音强： 人耳对于声音细节的分辨只有在强度适中时才最灵敏。人的听觉响应与强度成对数关系。一般的人只能察觉出3分贝的音强变化，再细分则没有太多意义。我们常用音量来描述音强，以分贝（dB=20log）为单位。 4.1.1 音频信号的特征 4．音宽与频带： 频带宽度或称之为带宽，它是描述组成复合信号的频率范围。 4.1.2 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。按照带宽可以将声音质量分为四级 4.1.2 音频信号的指标 ① 数字激光唱盘质量，通常称为CD－DA质量，这种质量也就是人们常说的超高保真，即：Super HiFi; ② 调频无线电广播，简称FM质量； ③ 调幅无线电广播，简称AM质量； ④ 电话质量； 4.1.2 音频信号的指标 2．动态范围： 动态范围越大，说明音频信号强度的相对变化范围越大，音响效果越好。 4.1.2 音频信号的指标 3．信噪比： 信噪比SNR（Signal to Noise Ratio）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。要使信噪比尽可能地大，才能得到尽可能好的声音质量。 4.1.2 音频信号的指标 4．主观度量法： 对声音质量的评价，还有一种是主观质量度量。对噪声的度量，可以说人的感觉机理最有决定意义，因此，感觉上的、主观上的测试应该成为评价声音质量和图像质量不可缺少的部分。当然，可靠的主观度量值是较难获得的。 4.2 音频的数字化 由于音频信号是一种连续变化的模拟信号，而计算机只能处理和记录二进制的数字信号，因此，由自然音源而得的音频信号必须经过一定的变化和处理，变成二进制数据后才能送到计算机进行再编辑和存贮。 4.2 音频的数字化 在多媒体技术中，信息处理的硬件都是数字硬件或数字计算机，因此音频信息进入系统必须进行数字化处理。数字音频的特点是保真度好，动态范围大。模拟声音在时间上是连续的，而数字音频是一个数据序列，因此当把模拟声音变成数字声音时，需要进行数字化处理，这一过程通常包括采样、量化和编码。 4.2 音频的数字化 采样就是使音频信号在时间轴上离散化，每隔一个时间间隔在模拟声音波形上取一个幅度值，采样的时间间隔称之为采样周期。根据采样定理，只要采样频率等于或大于音频信号中最高频率成份的两倍，信息量就不会丢失，也就是说可以由采样后的离散信号不失真地重建原始连续的模拟音频信号，否则就会产生不同程度的失真。因此采样频率的选择是音频信息数字化的关键技术之一。多媒体技术中通常选用三种音频采样频率：11.025kHz，22.05kHz和44.1kHz。一般在允许失真条件下，尽可能将采