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(tīng)見(jiàn)的音頻信號的頻率范圍大約是20Hz-2OkHz，其中語(yǔ)音大約分布在300Hz-4kHz之內，而音樂(lè )和其他自然聲響是全范圍分布的。聲音經(jīng)過(guò)模擬設備記錄或再生，成為模擬音頻，再經(jīng)數字化成為數字音頻。這里所說(shuō)的音頻分析就是以數字音頻信號為分析對象，以數字信號處理為分析手段，提取信號在時(shí)域、頻域內一系列特性的過(guò)程。
各種特定頻率范圍的音頻分析有各自不同的應用領(lǐng)域。例如，對于300－4kHz之間的語(yǔ)音信號的分析主要應用于語(yǔ)音識別，其用途是確定語(yǔ)音內容或判斷說(shuō)話(huà)者的身份；而對于20－20kHz之間的全范圍的語(yǔ)音信號分析則可以用來(lái)衡量各類(lèi)音頻設備的性能。所謂音頻設備就是將實(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)電子設備，例如話(huà)筒、功率放大器、揚聲器等，衡量音頻設備的主要技術(shù)指標有頻率響應特性、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測量和分析內容，其中數字信號處理是音頻分析的理論基礎。
1．音頻分析技術(shù)基礎
傅立葉變換和信號的采樣是進(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，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(guò)傅立葉級數變換后對應離散頻譜，而對于非周期信號，可以看作周期T為無(wú)窮大的周期信號，當周期趨近無(wú)窮大時(shí)，則基波譜線(xiàn)及譜線(xiàn)間隔(ω=2π/T)趨近無(wú)窮小，從而離散的頻譜就變?yōu)檫B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(jìn)入數字計算機前先經(jīng)過(guò)A/D變換器，將連續時(shí)間信號變?yōu)殡x散時(shí)間信號，稱(chēng)為信號的采樣。然后再經(jīng)幅值量化變?yōu)殡x散的數字信號。這樣，在頻域上將會(huì )出現一系列新的問(wèn)題，頻譜會(huì )發(fā)生變化。由模擬信號變成數字信號后，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、加窗與窗函數等一系列問(wèn)題。
2．音頻分析方法
通常在對某音頻設備音頻測量分析時(shí)，該設備被看成是一個(gè)具有輸入端口和輸出端口的黑箱系統。將某種己知信號輸入該系統，然后從輸出端獲取輸出信號進(jìn)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(chēng)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(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(cháng)度序列信號檢測等。

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(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析等幾類(lèi)。由于信號的諧波失真對于音頻測量比較重要，因此將其單獨歸類(lèi)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(shí)鐘作為基準來(lái)測量信號的頻率。測量頻率時(shí)，在一個(gè)限定的時(shí)間內的輸入信號和基準時(shí)鐘同時(shí)計數，然后將兩者的計數值比較后乘以基準時(shí)鐘的頻率就得到信號頻率。隨著(zhù)微處理芯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(guò)軟件計算得到。
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(shí)際測量中，為方便起見(jiàn)，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(shí)域分析
時(shí)域分析通常是將某種測試信號輸入待測音頻設備，觀(guān)察設備輸出信號的時(shí)域波形來(lái)評定設備的相關(guān)性能。最常用的時(shí)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(guān)察輸出信號時(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(guān)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(shí)域分析信號。圖1是音頻設備對方波的響應信號在半個(gè)周期(上升沿)內的具體描述。描述方波響應有上升時(shí)間、峰值振蕩、過(guò)沖量及傾斜度等幾個(gè)最主要參數。

階躍信號分析比較簡(jiǎn)單，主要用來(lái)檢測音頻設備對于信號突變的響應靈敏度。階躍信號分析的參數通常兩個(gè)，就是階躍響應信號的上升時(shí)間和脈沖寬度。上升時(shí)間越小，設備對于信號突變的響應越靈敏，瞬態(tài)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(gè)時(shí)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(gè)很窄的頻率范圍，因此常用單音突變信號檢測音頻設備在某個(gè)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(xiàn)圖。前面提到的正弦檢測、脈沖檢測及最大長(cháng)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(xiàn)圖反映了音頻設備在整個(gè)音頻范圍內的頻率響應的分布情況。一般來(lái)說(shuō)曲線(xiàn)峰值處的頻率成分，回放聲壓大、聲壓強；曲線(xiàn)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 )造成較嚴重的頻率失真。
4、時(shí)頻分析
時(shí)頻特性描述了音頻設備在時(shí)間軸上隨著(zhù)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)程中描述了音頻設備的響應狀態(tài)，而且還在時(shí)間的變化過(guò)程中描述了音頻設備的響應狀態(tài)，也就是從三維的角度全面地描述了音頻設備的響應特性。對于放音設備而言，主觀(guān)聽(tīng)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(chǎng)的深淺等均與音頻設備的時(shí)頻特性均有密切關(guān)系。音頻設備的時(shí)頻特性是客觀(guān)評價(jià)音頻設備性能優(yōu)劣的一個(gè)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(tài)失真等幾類(lèi)。音頻測量中最重要的是諧波失真，諧波失真，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是聲音信號經(jīng)音頻設備重放后多出來(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成的，聽(tīng)眾可以根據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(wú)失真的重現出來(lái)，則可以認為是高質(zhì)量的放音；否則，揚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，諧波失真是音頻設備的重要性能指標。
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備，然后分析設備響應信號的頻率成分，可以得到諧波失真。另一種更簡(jiǎn)單的測量方法是首先利用帶阻濾波器濾除響應信號中的基頻成分，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(shí)，通常在一定的頻率范圍內選取若干個(gè)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值以頻率為橫坐標連成一條曲線(xiàn)，稱(chēng)為諧波失真曲線(xiàn)。如圖2是某功率放大器在100－1OKHz范圍內的總諧波失真和2階、3階及4階諧波失真的曲線(xiàn)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量話(huà)筒、音頻功放、揚聲器等各類(lèi)單一音頻設備的各種電聲參數，也能測試組合音響、調音臺等組合音頻設備的整體性能的分析類(lèi)儀器。目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現了可用于測量音頻設備的各類(lèi)分析儀器，例如失真度分析器、頻譜分析儀、頻率計數器、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架式硬件儀器使用簡(jiǎn)便、測量精度較高，目前己經(jīng)獲得了廣泛的應用。音頻設備生產(chǎn)廠(chǎng)家可以利用音頻分析儀器檢查設備的性能，發(fā)現存在的缺陷，從而對設備的設計制造進(jìn)行改進(jìn)，消費者也可以利用音頻分析儀器對設備進(jìn)行評估，選擇合適的產(chǎn)品。
以組合音響為例，在評價(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價(jià)設備各種行業(yè)術(shù)語(yǔ)以各種量化的特征參數形式表示出來(lái)，“音色”所對應的特征參數就是諧波失真的測量，而“平衡感”則涉及到設備在整個(gè)音頻范圍內的頻率響應的分布情況。
一般說(shuō)來(lái)，一臺功能較為齊全的音頻分析儀器應能測量信號交直流電壓、信號頻率、諧波失真、信噪比等參數。功能強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，還需要一臺標準音頻信號發(fā)生器作為激勵信號源。

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)測量各類(lèi)音頻參數來(lái)評價(jià)音頻系統的性能。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(hù)而言，需要根據其感興趣的參數合理的選擇測試儀器，很難建立完整的音頻測試分析系統。