英国Soton课程辅导--了解数字和模拟音频信号处理

现代通信系统彻底改变了音频行业的前景。它们也改变了人们相互交流、互动和沟通的方式。 随着智能数字音频技术的日益普及，人们开始倾向于在家中享受自动化和联网的音频体验。智能扬声器和 Facebook 门户网站等设备因其智能和智慧功能而受到追捧。语音识别、360 度音频和无线音频等技术走在了音频行业的前沿。身临其境的声音概念让听众的交流变得更加自然和超现实。在这些高品质音频体验的背后，有多种工具和技术可以增强音效，并在实现高音质方面发挥重要作用。为了让学生们更加了解数字和模拟音频信号处理，我们撰写了此文。

一、音频信号处理简介

音频信号处理是一种将密集算法和技术应用于音频信号的方法。音频信号是以数字和模拟信号形式表现的声音。其频率范围为 20 至 20,000 Hz，这是我们耳朵的下限和上限。模拟信号以电信号的形式出现，而数字信号则以二进制的形式出现。这一过程包括通过转换数字信号和模拟信号来消除不必要的噪音，平衡时间和频率范围。它侧重于通过计算方法来修改声音。它利用各种技术消除或尽量减少过度调制、回声和不必要的噪音。

二、提高音频质量的技术

1.模拟数字转换

模拟音频信号受噪声和失真影响较大。将其转换为数字信号后，就可以在不降低质量的情况下轻松地对其进行处理、存储和传输。使用固定的采样率，并将电信号转换为二进制位分辨率。采样率和测量精度越高，质量就越高。

ADC 的性能取决于其带宽和信噪比 (SNR)。带宽由采样率决定，信噪比则随分辨率、精度、混叠(当编码信号与原始信号不同时发生)等的变化而变化。如果 ADC 的信噪比大于输入信号的信噪比，则认为 ADC 是理想的。

2.音频效果--音频预处理和后处理方法

后处理算法用于抑制预处理阶段产生的噪音和人工痕迹。主要重点是消除回声和失真以及改善语音。平滑和过滤是常用的后处理技术，用于增加混响和控制噪音。

a.数据压缩和/或解压缩

压缩是最强大的混音工具之一，是缩小音频信号动态范围的过程。动态范围是音频信号最大范围和最小范围之间的差值。

例如，当我们大声喊叫或低声耳语时，声音的音调要么过高，要么过低。如果不经过压缩就进行录制，声音就会失真。压缩器通过衰减最响亮的声音和放大最缓慢的声音来解决这个问题。它能帮助我们在配乐中找到完美的平衡，使声音更加自然，不会失真。它还能减少数字音频流的带宽和文件大小，从而节省存储空间并加快传输速度。

音频压缩有两种类型，即无损压缩和有损压缩。无损音频压缩最常用，因为它的压缩率比原始数据高得多。这可能会删除无关信息并降低质量。最流行的音频压缩技术是 MP3 和 AAC 压缩。

b.自动回声消除器(AEC)

回声消除器在音频信号处理中发挥着重要作用。它能消除麦克风和扬声器之间的声耦合引起的回声、混响和不必要的噪音。由于声学耦合，麦克风会在一定距离外拾取语音。

假设您正在与某人进行语音通话。与您通话的另一人的语音称为远距离语音，将通过扬声器播放，而您自己的语音称为近距离语音，将由麦克风拾取。如果将远程语音传输给对方，对方听到自己的语音时会有延迟(网络延迟 + 处理延迟)。AEC 可防止远程语音传输到通话另一方。

c.重新采样

过采样是指每秒产生的采样总数。这些采样以千赫(kHz)为单位，一个单位相当于每秒 1000 次。 不同的音频系统使用不同的采样率和帧频。这就是测量音频信号频率的方法。它的工作原理是过采样和转码，从而减少噪音和失真。采样频率越高越好，因为它能提供更准确的信号起伏细节，从而改善音质。

d.滤波

滤波器被认为是任何信号处理中最基本的电路，几乎用于所有处理过程。它能去除不需要的噪音、回声和失真，并允许滤波后的数据通过。讨论带通滤波器，它只通过某些频率，而拒绝其他频率。

e.均衡

均衡器用于改变或调整频率，使发射器的音频频谱与接收器的音频频谱相匹配。使用低通滤波器、高通滤波器或带通滤波器可将频率范围调高或调低。频率成分之间的延迟被消除，从而获得所需的输出。

f.自动增益控制(AGC)或音量控制

在输入信号不同的情况下提供恒定的输出。指定应用于输入信号的增益或衰减量，以实现目标输入信号。如果输入信号高于目标信号，则 AGC 会减去增益;如果输入信号低于目标信号，则 AGC 会增加增益。增益表示控制声音的通道输入的音量。

g.波束成形

波束成形又称空间滤波，是麦克风阵列处理中使用的一种信号处理技术。波束成形利用阵列中麦克风的空间多样性来检测和提取所需的声源信号，并抑制不需要的干扰。 波束成形用于根据声源信号的方向将复合麦克风阵列的定向波束引向特定方向。这项技术有助于增加复合传声器的范围，提高信噪比 (SNR)。

3.数模转换(DAC)

如今的音频信号大多以 MP3 等数字形式存在，但如果要通过扬声器收听，就需要将其转换为模拟信号。它将数字数据流转换成模拟音频信号，然后将转换后的模拟信号发送到放大器。然后由扬声器和音乐播放器等输出设备使用。这一过程可改善整体音质，增强听觉体验。带有 DAC 的设备包括数字扬声器、CD 播放器、音乐播放器等。

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