音頻信號及音頻分析

音頻信號及音頻分析
音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽見的音頻信號的頻率范圍大約是20Hz-2OkHz，其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過模擬設(shè)備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數(shù)字化成為數(shù)字音頻。這里所說的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號為分析對象，以數(shù)字信號處理為分析手段，提取信號在時域、頻域內(nèi)一系列特性的過程。
各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，對于300－4kHz之間的語音信號的分析主要應(yīng)用于語音識別，其用途是確定語音內(nèi)容或判斷說話者的身份；而對于20－20kHz之間的全范圍的語音信號分析則可以用來衡量各類音頻設(shè)備的性能。所謂音頻設(shè)備就是將實(shí)際的聲音拾取到將聲音播放出來的全部過程中需要用到的各類電子設(shè)備，例如話筒、功率放大器、揚(yáng)聲器等，衡量音頻設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)有頻率響應(yīng)特性、諧波失真、信噪比、動態(tài)范圍等。

音頻分析原理
音頻分析的原理主要涉及數(shù)字信號處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數(shù)測量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號處理是音頻分析的理論基礎(chǔ)。
1．音頻分析技術(shù)基礎(chǔ)
傅立葉變換和信號的采樣是進(jìn)行音頻分析時用到的最基本的技術(shù)。傅立葉變換是進(jìn)行頻譜分析的基礎(chǔ)，信號的頻譜分析是指按信號的頻率結(jié)構(gòu)，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規(guī)律，建立以頻率為橫軸的各種“譜”，如幅度譜、相位譜。信號中，周期信號通過傅立葉級數(shù)變換后對應(yīng)離散頻譜，而對于非周期信號，可以看作周期T為無窮大的周期信號，當(dāng)周期趨近無窮大時，則基波譜線及譜線間隔(ω=2π/T)趨近無窮小，從而離散的頻譜就變?yōu)檫B續(xù)頻譜。所以，非周期信號的頻譜是連續(xù)的。
在以計算機(jī)為中心的測試系統(tǒng)中，模擬信號進(jìn)入數(shù)字計算機(jī)前先經(jīng)過A/D變換器，將連續(xù)時間信號變?yōu)殡x散時間信號，稱為信號的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號。這樣，在頻域上將會出現(xiàn)一系列新的問題，頻譜會發(fā)生變化。由模擬信號變成數(shù)字信號后，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到采樣定理、頻率混疊、截斷和泄漏、加窗與窗函數(shù)等一系列問題。
2．音頻分析方法
通常在對某音頻設(shè)備音頻測量分析時，該設(shè)備被看成是一個具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號進(jìn)行分析，從而了解該系統(tǒng)的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。輸入音頻設(shè)備的信號，稱作激勵信號。激勵信號可以是正弦、方波等周期信號，也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機(jī)信號，還可以是雙音、多音、正弦突發(fā)等信號。最常用的檢測分析方法有正弦信號檢測、脈沖信號檢測、最大長度序列信號檢測等。

音頻參數(shù)測量及分析
音頻測量一般包括信號電壓、頻率、信噪比、諧波失真等基本參數(shù)。大部分音頻參數(shù)都可以由這幾種基本參數(shù)組合而成。音頻分析可以分為時域分析、頻域分析、時頻分析等幾類。由于信號的諧波失真對于音頻測量比較重要，因此將其單獨(dú)歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測量和音頻分析。
1、基本參數(shù)測量
音頻測量中需要測量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測試可以分為均方根電壓(RMS)、平均電壓和峰值電壓等幾種。
頻率是音頻測量中最基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時鐘作為基準(zhǔn)來測量信號的頻率。測量頻率時，在一個限定的時間內(nèi)的輸入信號和基準(zhǔn)時鐘同時計數(shù)，然后將兩者的計數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時鐘的頻率就得到信號頻率。隨著微處理芯片的運(yùn)算速度的提高，信號的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟件計算得到。
信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標(biāo)，是信號的有效電壓與噪聲電壓的比值。信噪比的計算公式為：

在實(shí)際測量中，為方便起見，通常用帶有噪聲的信號總電壓代替信號電壓計算信噪比。
2、時域分析
時域分析通常是將某種測試信號輸入待測音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號的時域波形來評定設(shè)備的相關(guān)性能。最常用的時域分析測試信號有正弦信號、方波信號、階躍信號及單音突變信號等。例如將正弦信號輸入設(shè)備，觀察輸出信號時域波形失真就是一種時域分析方法。
方波分析具有良好的突變性及周期性，通過觀察設(shè)備對方波信號的輸出信號波形能夠很好的檢測設(shè)備的各項性能，因此方波信號成為最常用的時域分析信號。圖1是音頻設(shè)備對方波的響應(yīng)信號在半個周期(上升沿)內(nèi)的具體描述。描述方波響應(yīng)有上升時間、峰值振蕩、過沖量及傾斜度等幾個最主要參數(shù)。

階躍信號分析比較簡單，主要用來檢測音頻設(shè)備對于信號突變的響應(yīng)靈敏度。階躍信號分析的參數(shù)通常兩個，就是階躍響應(yīng)信號的上升時間和脈沖寬度。上升時間越小，設(shè)備對于信號突變的響應(yīng)越靈敏，瞬態(tài)特性越好;脈寬越小，設(shè)備的阻尼特性越好，系統(tǒng)越穩(wěn)定。
正弦信號在某個時刻峰值突然升高，形成突變，就是單音突變信號。由于單音突變信號的能量集中在一個很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號檢測音頻設(shè)備在某個特定頻率的響應(yīng)情況。單音突變信號的主要用途是快速判定某些音頻設(shè)備，例如揚(yáng)聲器的阻尼特性等。

3、頻域分析
頻域分析是音頻分析的重要內(nèi)容，頻域分析的主要依據(jù)是頻率響應(yīng)特性曲線圖。前面提到的正弦檢測、脈沖檢測及最大長度序列信號檢測都能夠得到設(shè)備的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)曲線圖反映了音頻設(shè)備在整個音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強(qiáng)；曲線谷底處頻率成分聲壓小、聲音弱。若波峰和波谷起伏太大，則會造成較嚴(yán)重的頻率失真。
4、時頻分析
時頻特性描述了音頻設(shè)備在時間軸上隨著時間的變化其頻域特性的變化情況。時頻特性不僅在頻率的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，而且還在時間的變化過程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)特性。對于放音設(shè)備而言，主觀聽感的評述，如低音是否干凈，背景是否清晰，層次是否分明，音場的深淺等均與音頻設(shè)備的時頻特性均有密切關(guān)系。音頻設(shè)備的時頻特性是客觀評價音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個很重要的方面。
5、失真分析
音頻設(shè)備的失真包括諧波失真、互調(diào)失真、相位失真及瞬態(tài)失真等幾類。音頻測量中最重要的是諧波失真，諧波失真，簡單地說就是聲音信號經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來的額外的諧波成分。從聽眾的角度看，不同的發(fā)聲物體所發(fā)出的聲音是由不同的基波和諧波構(gòu)成的，聽眾可以根據(jù)聲音的特性分辨出發(fā)聲的物體。如果功率放大器將某種樂器所發(fā)出的樂音(樂音由基波和諧波組成)放大，經(jīng)揚(yáng)聲器放音后，對基波和各次諧波的波形形狀、幅值和相位均能無失真的重現(xiàn)出來，則可以認(rèn)為是高質(zhì)量的放音；否則，揚(yáng)聲器所放出的聲音聽起來煩躁、別扭，則諧波失真己經(jīng)達(dá)到無法忍受，甚至使人無法分辨發(fā)聲樂器的種類。因此，諧波失真是音頻設(shè)備的重要性能指標(biāo)。
諧波失真的測量方法有兩種，一種是以正弦信號輸入待測設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡單的測量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號中的基頻成分，然后直接測量剩余信號的電壓，將其與原響應(yīng)信號作比較，就可以得到諧波失真。顯然第二種方法得到的諧波失真是THD+N，由于采用了信號的總電壓值代替了基頻分量電壓值，因此得到的諧波失真比實(shí)際值偏小，且實(shí)際的諧波失真越大，誤差越大。
在實(shí)際的音頻測量時，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個頻率點(diǎn)，分別測量出各點(diǎn)的諧波失真，然后將各諧波失真數(shù)值以頻率為橫坐標(biāo)連成一條曲線，稱為諧波失真曲線。如圖2是某功率放大器在100－1OKHz范圍內(nèi)的總諧波失真和2階、3階及4階諧波失真的曲線圖。

音頻分析儀器
這里所說的音頻分析儀器是指既能夠測量話筒、音頻功放、揚(yáng)聲器等各類單一音頻設(shè)備的各種電聲參數(shù)，也能測試組合音響、調(diào)音臺等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類儀器。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測量音頻設(shè)備的各類分析儀器，例如失真度分析器、頻譜分析儀、頻率計數(shù)器、交流電壓表、直流電壓表、音頻示波器等。這些基于各種功能電路的機(jī)架式硬件儀器使用簡便、測量精度較高，目前己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。音頻設(shè)備生產(chǎn)廠家可以利用音頻分析儀器檢查設(shè)備的性能，發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，從而對設(shè)備的設(shè)計制造進(jìn)行改進(jìn)，消費(fèi)者也可以利用音頻分析儀器對設(shè)備進(jìn)行評估，選擇合適的產(chǎn)品。
以組合音響為例，在評價其性能時常常用到術(shù)語“音色”，所謂音色就是指音響因高次諧波不同而引起的聲音差異。而音響的所謂“平衡感”則是指音響在全頻段重放的量感聽起來自然的程度。音頻分析儀器的作用就是將評價設(shè)備各種行業(yè)術(shù)語以各種量化的特征參數(shù)形式表示出來，“音色”所對應(yīng)的特征參數(shù)就是諧波失真的測量，而“平衡感”則涉及到設(shè)備在整個音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。
一般說來，一臺功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測量信號交直流電壓、信號頻率、諧波失真、信噪比等參數(shù)。功能強(qiáng)大的音頻分析儀器提供頻譜分析、1/3倍頻程分析、倍頻程分析、聲壓級測量等功能。如果要組建音頻分析系統(tǒng)，還需要一臺標(biāo)準(zhǔn)音頻信號發(fā)生器作為激勵信號源。

音頻分析利用時域分析、頻域分析、失真分析等方法為手段，通過測量各類音頻參數(shù)來評價音頻系統(tǒng)的性能。音頻分析是一種綜合性的分析，涉及到眾多的測試儀器，對于普通用戶而言，需要根據(jù)其感興趣的參數(shù)合理的選擇測試儀器，很難建立完整的音頻測試分析系統(tǒng)。