音頻分析原理

2020-11-24 電子產品世界

一、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範圍大約是20Hz-2OkHz，其中語音大約分布在300Hz-4kHz之內，而音樂和其他自然聲響是全範圍分布的。聲音經過模擬設備記錄或再生，成為模擬音頻，再經數位化成為數字音頻。這裡所說的音頻分析就是以數字音頻信號為分析對象，以數位訊號處理為分析手段，提取信號在時域、頻域內一系列特性的過程。
各種特定頻率範圍的音頻分析有各自不同的應用領域。例如，對於300－4kHz之間的語音信號的分析主要應用於語音識別，其用途是確定語音內容或判斷說話者的身份；而對於20－20kHz之間的全範圍的語音信號分析則可以用來衡量各類音頻設備的性能。所謂音頻設備就是將實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備，例如話筒、功率放大器、揚聲器等，衡量音頻設備的主要技術指標有頻率響應特性、諧波失真、信噪比、動態範圍等。

二、音頻分析原理
音頻分析的原理主要涉及數位訊號處理的基本理論、音頻分析的基本方法以及音頻參數測量和分析內容，其中數位訊號處理是音頻分析的理論基礎。
1．音頻分析技術基礎
傅立葉變換和信號的採樣是進行音頻分析時用到的最基本的技術。傅立葉變換是進行頻譜分析的基礎，信號的頻譜分析是指按信號的頻率結構，求取其分量的幅值、相位等按頻率分布規律，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變換後對應離散頻譜，而對於非周期信號，可以看作周期T為無窮大的周期信號，當周期趨近無窮大時，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為連續頻譜。所以，非周期信號的頻譜是連續的。
在以計算機為中心的測試系統中，模擬信號進入數字計算機前先經過A/D變換器，將連續時間信號變為離散時間信號，稱為信號的採樣。然後再經幅值量化變為離散的數位訊號。這樣，在頻域上將會出現一系列新的問題，頻譜會發生變化。由模擬信號變成數位訊號後，其傅立葉變換也變成離散傅立葉變換，涉及到採樣定理、頻率混疊、截斷和洩漏、加窗與窗函數等一系列問題。
2．音頻分析方法
通常在對某音頻設備音頻測量分析時，該設備被看成是一個具有輸入埠和輸出埠的黑箱系統。將某種己知信號輸入該系統，然後從輸出端獲取輸出信號進行分析，從而了解該系統的一些特性，這就是音頻分析的一般方法。輸入音頻設備的信號，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、粉紅噪聲等隨機信號，還可以是雙音、多音、正弦突發等信號。最常用的檢測分析方法有正弦信號檢測、脈衝信號檢測、最大長度序列信號檢測等。

三、音頻參數測量及分析
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。大部分音頻參數都可以由這幾種基本參數組合而成。音頻分析可以分為時域分析、頻域分析、時頻分析等幾類。由於信號的諧波失真對於音頻測量比較重要，因此將其單獨歸類為失真分析。以下分別介紹各種音頻參數測量和音頻分析。
1、基本參數測量
音頻測量中需要測量的基本參數主要有電壓、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之一。通常利用高頻精密時鐘作為基準來測量信號的頻率。測量頻率時，在一個限定的時間內的輸入信號和基準時鐘同時計數，然後將兩者的計數值比較後乘以基準時鐘的頻率就得到信號頻率。隨著微處理晶片的運算速度的提高，信號的頻率也可以利用快速傅立葉變換通過軟體計算得到。
信噪比是音頻設備的基本性能指標，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備，觀察設備輸出信號的時域波形來評定設備的相關性能。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，通過觀察設備對方波信號的輸出信號波形能夠很好的檢測設備的各項性能，因此方波信號成為最常用的時域分析信號。圖1是音頻設備對方波的響應信號在半個周期(上升沿)內的具體描述。描述方波響應有上升時間、峰值振蕩、過衝量及傾斜度等幾個最主要參數。

階躍信號分析比較簡單，主要用來檢測音頻設備對於信號突變的響應靈敏度。階躍信號分析的參數通常兩個，就是階躍響應信號的上升時間和脈衝寬度。上升時間越小，設備對於信號突變的響應越靈敏，瞬態特性越好;脈寬越小，設備的阻尼特性越好，系統越穩定。
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。由於單音突變信號的能量集中在一個很窄的頻率範圍，因此常用單音突變信號檢測音頻設備在某個特定頻率的響應情況。單音突變信號的主要用途是快速判定某些音頻設備，例如揚聲器的阻尼特性等。


3、頻域分析
頻域分析是音頻分析的重要內容，頻域分析的主要依據是頻率響應特性曲線圖。前面提到的正弦檢測、脈衝檢測及最大長度序列信號檢測都能夠得到設備的頻率響應。頻率響應曲線圖反映了音頻設備在整個音頻範圍內的頻率響應的分布情況。一般來說曲線峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強；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，則會造成較嚴重的頻率失真。
4、時頻分析
時頻特性描述了音頻設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備的響應狀態，而且還在時間的變化過程中描述了音頻設備的響應狀態，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設備的響應特性。對於放音設備而言，主觀聽感的評述，如低音是否乾淨，背景是否清晰，層次是否分明，音場的深淺等均與音頻設備的時頻特性均有密切關係。音頻設備的時頻特性是客觀評價音頻設備性能優劣的一個很重要的方面。
5、失真分析
音頻設備的失真包括諧波失真、互調失真、相位失真及瞬態失真等幾類。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音頻設備重放後多

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