音頻信號(hào)及音頻分析

音頻信號(hào)及音頻分析
音頻是多媒體中的一種重要媒體。我們能夠聽(tīng)見(jiàn)的音頻信號(hào)的頻率范圍大約是20Hz-2OkHz，其中語(yǔ)音大約分布在300Hz-4kHz之內(nèi)，而音樂(lè)和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過(guò)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(shuō)的音頻分析就是以數(shù)字音頻信號(hào)為分析對(duì)象，以數(shù)字信號(hào)處理為分析手段，提取信號(hào)在時(shí)域、頻域內(nèi)一系列特性的過(guò)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(duì)于300－4kHz之間的語(yǔ)音信號(hào)的分析主要應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別，其用途是確定語(yǔ)音內(nèi)容或判斷說(shuō)話(huà)者的身份；而對(duì)于20－20kHz之間的全范圍的語(yǔ)音信號(hào)分析則可以用來(lái)衡量各類(lèi)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(lái)的全部過(guò)程中需要用到的各類(lèi)電子設(shè)備，例如話(huà)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(dòng)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(hào)處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數(shù)測(cè)量和分析內(nèi)容，其中數(shù)字信號(hào)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(hào)的采樣是進(jìn)行音頻分析時(shí)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(hào)的頻譜分析是指按信號(hào)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(hào)中，周期信號(hào)通過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)變換后對(duì)應(yīng)離散頻譜，而對(duì)于非周期信號(hào)，可以看作周期T為無(wú)窮大的周期信號(hào)，當(dāng)周期趨近無(wú)窮大時(shí)，則基波譜線及譜線間隔(ω=2π/T)趨近無(wú)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(hào)的頻譜是連續(xù)的。
在以計(jì)算機(jī)為中心的測(cè)試系統(tǒng)中，模擬信號(hào)進(jìn)入數(shù)字計(jì)算機(jī)前先經(jīng)過(guò)A/D變換器，將連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)，稱(chēng)為信號(hào)的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)。這樣，在頻域上將會(huì)出現(xiàn)一系列新的問(wèn)題，頻譜會(huì)發(fā)生變化。由模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)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?cái)嗪托孤⒓哟芭c窗函數(shù)等一系列問(wèn)題。
2．音頻分析方法
通常在對(duì)某音頻設(shè)備音頻測(cè)量分析時(shí)，該設(shè)備被看成是一個(gè)具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統(tǒng)。將某種己知信號(hào)輸入該系統(tǒng)，然后從輸出端獲取輸出信號(hào)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(hào)，稱(chēng)作激勵(lì)信號(hào)。激勵(lì)信號(hào)可以是正弦、方波等周期信號(hào)，也可以是白噪聲、粉紅噪聲等隨機(jī)信號(hào)，還可以是雙音、多音、正弦突發(fā)等信號(hào)。最常用的檢測(cè)分析方法有正弦信號(hào)檢測(cè)、脈沖信號(hào)檢測(cè)、最大長(zhǎng)度序列信號(hào)檢測(cè)等。

音頻參數(shù)測(cè)量及分析
音頻測(cè)量一般包括信號(hào)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(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等幾類(lèi)。由于信號(hào)的諧波失真對(duì)于音頻測(cè)量比較重要，因此將其單獨(dú)歸類(lèi)為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數(shù)測(cè)量和音頻分析。
1、基本參數(shù)測(cè)量
音頻測(cè)量中需要測(cè)量的基本參數(shù)主要有電壓、頻率、信噪比。電壓測(cè)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(cè)量中最基本的參數(shù)之一。通常利用高頻精密時(shí)鐘作為基準(zhǔn)來(lái)測(cè)量信號(hào)的頻率。測(cè)量頻率時(shí)，在一個(gè)限定的時(shí)間內(nèi)的輸入信號(hào)和基準(zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)計(jì)數(shù)，然后將兩者的計(jì)數(shù)值比較后乘以基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率就得到信號(hào)頻率。隨著微處理芯片的運(yùn)算速度的提高，信號(hào)的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過(guò)軟件計(jì)算得到。
信噪比是音頻設(shè)備的基本性能指標(biāo)，是信號(hào)的有效電壓與噪聲電壓的比值。信噪比的計(jì)算公式為：

在實(shí)際測(cè)量中，為方便起見(jiàn)，通常用帶有噪聲的信號(hào)總電壓代替信號(hào)電壓計(jì)算信噪比。
2、時(shí)域分析
時(shí)域分析通常是將某種測(cè)試信號(hào)輸入待測(cè)音頻設(shè)備，觀察設(shè)備輸出信號(hào)的時(shí)域波形來(lái)評(píng)定設(shè)備的相關(guān)性能。最常用的時(shí)域分析測(cè)試信號(hào)有正弦信號(hào)、方波信號(hào)、階躍信號(hào)及單音突變信號(hào)等。例如將正弦信號(hào)輸入設(shè)備，觀察輸出信號(hào)時(shí)域波形失真就是一種時(shí)域分析方法。
方波分析具有良好的突變性及周期性，通過(guò)觀察設(shè)備對(duì)方波信號(hào)的輸出信號(hào)波形能夠很好的檢測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)性能，因此方波信號(hào)成為最常用的時(shí)域分析信號(hào)。圖1是音頻設(shè)備對(duì)方波的響應(yīng)信號(hào)在半個(gè)周期(上升沿)內(nèi)的具體描述。描述方波響應(yīng)有上升時(shí)間、峰值振蕩、過(guò)沖量及傾斜度等幾個(gè)最主要參數(shù)。

階躍信號(hào)分析比較簡(jiǎn)單，主要用來(lái)檢測(cè)音頻設(shè)備對(duì)于信號(hào)突變的響應(yīng)靈敏度。階躍信號(hào)分析的參數(shù)通常兩個(gè)，就是階躍響應(yīng)信號(hào)的上升時(shí)間和脈沖寬度。上升時(shí)間越小，設(shè)備對(duì)于信號(hào)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(hào)在某個(gè)時(shí)刻峰值突然升高，形成突變，就是單音突變信號(hào)。由于單音突變信號(hào)的能量集中在一個(gè)很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號(hào)檢測(cè)音頻設(shè)備在某個(gè)特定頻率的響應(yīng)情況。單音突變信號(hào)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(cè)、脈沖檢測(cè)及最大長(zhǎng)度序列信號(hào)檢測(cè)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(gè)音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。一般來(lái)說(shuō)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(huì)造成較嚴(yán)重的頻率失真。
4、時(shí)頻分析
時(shí)頻特性描述了音頻設(shè)備在時(shí)間軸上隨著時(shí)間的變化其頻域特性的變化情況。時(shí)頻特性不僅在頻率的變化過(guò)程中描述了音頻設(shè)備的響應(yīng)狀態(tài)，而且還在時(shí)間的變化過(guò)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(duì)于放音設(shè)備而言，主觀聽(tīng)感的評(píng)述，如低音是否干凈，背景是否清晰，層次是否分明，音場(chǎng)的深淺等均與音頻設(shè)備的時(shí)頻特性均有密切關(guān)系。音頻設(shè)備的時(shí)頻特性是客觀評(píng)價(jià)音頻設(shè)備性能優(yōu)劣的一個(gè)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(lèi)。音頻測(cè)量中最重要的是諧波失真，諧波失真，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是聲音信號(hào)經(jīng)音頻設(shè)備重放后多出來(lái)的額外的諧波成分。從聽(tīng)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(tīng)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(lè)器所發(fā)出的樂(lè)音(樂(lè)音由基波和諧波組成)放大，經(jīng)揚(yáng)聲器放音后，對(duì)基波和各次諧波的波形形狀、幅值和相位均能無(wú)失真的重現(xiàn)出來(lái)，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(tīng)起來(lái)煩躁、別扭，則諧波失真己經(jīng)達(dá)到無(wú)法忍受，甚至使人無(wú)法分辨發(fā)聲樂(lè)器的種類(lèi)。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(cè)量方法有兩種，一種是以正弦信號(hào)輸入待測(cè)設(shè)備，然后分析設(shè)備響應(yīng)信號(hào)的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡(jiǎn)單的測(cè)量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應(yīng)信號(hào)中的基頻成分，然后直接測(cè)量剩余信號(hào)的電壓，將其與原響應(yīng)信號(hào)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(hào)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(cè)量時(shí)，通常在一定的頻率范圍內(nèi)選取若干個(gè)頻率點(diǎn)，分別測(cè)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(chēng)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(shuō)的音頻分析儀器是指既能夠測(cè)量話(huà)筒、音頻功放、揚(yáng)聲器等各類(lèi)單一音頻設(shè)備的各種電聲參數(shù)，也能測(cè)試組合音響、調(diào)音臺(tái)等組合音頻設(shè)備的整體性能的分析類(lèi)儀器。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了可用于測(cè)量音頻設(shè)備的各類(lèi)分析儀器，例如失真度分析器、頻譜分析儀、頻率計(jì)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(jiǎn)便、測(cè)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(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造進(jìn)行改進(jìn)，消費(fèi)者也可以利用音頻分析儀器對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)估，選擇合適的產(chǎn)品。
以組合音響為例，在評(píng)價(jià)其性能時(shí)常常用到術(shù)語(yǔ)“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(tīng)起來(lái)自然的程度。音頻分析儀器的作用就是將評(píng)價(jià)設(shè)備各種行業(yè)術(shù)語(yǔ)以各種量化的特征參數(shù)形式表示出來(lái)，“音色”所對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)就是諧波失真的測(cè)量，而“平衡感”則涉及到設(shè)備在整個(gè)音頻范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的分布情況。
一般說(shuō)來(lái)，一臺(tái)功能較為齊全的音頻分析儀器應(yīng)能測(cè)量信號(hào)交直流電壓、信號(hào)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(jí)測(cè)量等功能。如果要組建音頻分析系統(tǒng)，還需要一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)音頻信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)信號(hào)源。

音頻分析利用時(shí)域分析、頻域分析、失真分析等方法為手段，通過(guò)測(cè)量各類(lèi)音頻參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)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(cè)試儀器，對(duì)于普通用戶(hù)而言，需要根據(jù)其感興趣的參數(shù)合理的選擇測(cè)試儀器，很難建立完整的音頻測(cè)試分析系統(tǒng)。