音频信号及音频分析

音频信号及音频分析
音频是多媒体中的一种重要媒体。我们能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-2OkHz，其中语音大约分布在300Hz-4kHz之内，而音乐和其他自然声响是全范围分布的。声音经过模拟设备记录或再生，成为模拟音频，再经数字化成为数字音频。这里所说的音频分析就是以数字音频信号为分析对象，以数字信号处理为分析手段，提取信号在时域、频域内一系列特性的过程。
各种特定频率范围的音频分析有各自不同的应用领域。例如，对于300－4kHz之间的语音信号的分析主要应用于语音识别，其用途是确定语音内容或判断说话者的身份；而对于20－20kHz之间的全范围的语音信号分析则可以用来衡量各类音频设备的性能。所谓音频设备就是将实际的声音拾取到将声音播放出来的全部过程中需要用到的各类电子设备，例如话筒、功率放大器、扬声器等，衡量音频设备的主要技术指标有频率响应特性、谐波失真、信噪比、动态范围等。

音频分析原理
音频分析的原理主要涉及数字信号处理的基本理论、音频分析的基本方法以及音频参数测量和分析内容，其中数字信号处理是音频分析的理论基础。
1．音频分析技术基础
傅立叶变换和信号的采样是进行音频分析时用到的最基本的技术。傅立叶变换是进行频谱分析的基础，信号的频谱分析是指按信号的频率结构，求取其分量的幅值、相位等按频率分布规律，建立以频率为横轴的各种“谱”，如幅度谱、相位谱。信号中，周期信号通过傅立叶级数变换后对应离散频谱，而对于非周期信号，可以看作周期T为无穷大的周期信号，当周期趋近无穷大时，则基波谱线及谱线间隔(ω=2π/T)趋近无穷小，从而离散的频谱就变为连续频谱。所以，非周期信号的频谱是连续的。
在以计算机为中心的测试系统中，模拟信号进入数字计算机前先经过A/D变换器，将连续时间信号变为离散时间信号，称为信号的采样。然后再经幅值量化变为离散的数字信号。这样，在频域上将会出现一系列新的问题，频谱会发生变化。由模拟信号变成数字信号后，其傅立叶变换也变成离散傅立叶变换，涉及到采样定理、频率混叠、截断和泄漏、加窗与窗函数等一系列问题。
2．音频分析方法
通常在对某音频设备音频测量分析时，该设备被看成是一个具有输入端口和输出端口的黑箱系统。将某种己知信号输入该系统，然后从输出端获取输出信号进行分析，从而了解该系统的一些特性，这就是音频分析的一般方法。输入音频设备的信号，称作激励信号。激励信号可以是正弦、方波等周期信号，也可以是白噪声、粉红噪声等随机信号，还可以是双音、多音、正弦突发等信号。最常用的检测分析方法有正弦信号检测、脉冲信号检测、最大长度序列信号检测等。

音频参数测量及分析
音频测量一般包括信号电压、频率、信噪比、谐波失真等基本参数。大部分音频参数都可以由这几种基本参数组合而成。音频分析可以分为时域分析、频域分析、时频分析等几类。由于信号的谐波失真对于音频测量比较重要，因此将其单独归类为失真分析。以下分别介绍各种音频参数测量和音频分析。
1、基本参数测量
音频测量中需要测量的基本参数主要有电压、频率、信噪比。电压测试可以分为均方根电压(RMS)、平均电压和峰值电压等几种。
频率是音频测量中最基本的参数之一。通常利用高频精密时钟作为基准来测量信号的频率。测量频率时，在一个限定的时间内的输入信号和基准时钟同时计数，然后将两者的计数值比较后乘以基准时钟的频率就得到信号频率。随着微处理芯片的运算速度的提高，信号的频率也可以利用快速傅立叶变换通过软件计算得到。
信噪比是音频设备的基本性能指标，是信号的有效电压与噪声电压的比值。信噪比的计算公式为：

在实际测量中，为方便起见，通常用带有噪声的信号总电压代替信号电压计算信噪比。
2、时域分析
时域分析通常是将某种测试信号输入待测音频设备，观察设备输出信号的时域波形来评定设备的相关性能。最常用的时域分析测试信号有正弦信号、方波信号、阶跃信号及单音突变信号等。例如将正弦信号输入设备，观察输出信号时域波形失真就是一种时域分析方法。
方波分析具有良好的突变性及周期性，通过观察设备对方波信号的输出信号波形能够很好的检测设备的各项性能，因此方波信号成为最常用的时域分析信号。图1是音频设备对方波的响应信号在半个周期(上升沿)内的具体描述。描述方波响应有上升时间、峰值振荡、过冲量及倾斜度等几个最主要参数。

阶跃信号分析比较简单，主要用来检测音频设备对于信号突变的响应灵敏度。阶跃信号分析的参数通常两个，就是阶跃