音頻信號處理

音頻訊號處理，又稱音訊處理，音樂訊號處理等，可以用來調整音樂訊號的震幅、頻率、波形等資訊。

利用一些簡單的加減乘除，升降頻，及窗函式(window function)，就可以做出各式的聲音訊號，創造屬於自己的電子音樂。

基本介紹

• 中文名：音頻信號處理
• 外文名：Audio signal processing

簡介

音頻訊號處理，又稱音訊處理，音樂訊號處理等，可以用來調整音樂訊號的震幅、頻率、波形等資訊。

利用一些簡單的加減乘除，升降頻，及窗函式(window function)，就可以做出各式的聲音訊號，創造屬於自己的電子音樂。

甚至透過一些訊號處理的技巧，可以從聲音訊號取得背後所代表的頻率高低，做更進一步的分析與套用。

音訊的來源

• 當物體產生震動時，就會產生聲音，舉例來說：當用力揮動手掌時，就會產生聲音，以及蚊子翅膀快速震動時，所發出的擾人聲音。
• 但是，在上述例子中，所聽到的聲音是來自於空氣震動，而不是因為手掌擺動，
• 原因是人耳可以聽到的聲音頻率介於20Hz到20000Hz之間，所以我們可以聽到空氣振動產生的聲音，卻聽不到手掌擺動產生的聲音，因為擺動的頻率不夠快。

音訊的資訊

• 聲音訊號是一種力學波，因此在傳播過程中是一種類比連續的訊號，然而由於人耳是天然的傅立葉轉換器，因此音訊經過人耳後會變成數位訊號。在這些訊號中，有三個特徵是處理時經常考慮的部分，可以參考下圖：

1. 音量：從訊號來看，音量代表的是訊號的震幅，訊號振幅越大，所發出的音量也越大。
2. 音頻：訊號的頻率，就是所謂的音頻，也就是聲音震動的頻率。其代表的是音調的高低，頻率越高，音調就越高。除此之外，樂器所產生的聲音訊號，並非是單一頻率的訊號，而是有基頻和泛音(倍頻)的存在。
3. 音色：每一個人或樂器所發出的音色都不一樣，從訊號上來看，音色就是訊號的波形，因此只要利用波形分析，就可以判斷出聲音的來源，從下圖可以看到小提琴跟鋼琴的音色差異非常大。

音訊的檔案

• 音訊的檔案儲存可以分成壓縮和無壓縮兩種，常見的無壓縮檔案格式為*.wav，而壓縮檔案格式為*.mp3，關於這一部分的詳細資訊可以參照音訊檔案格式。聲音檔的存取時，主要有三個需要考慮因素：

1. 取樣頻率：在訊號處理中，取樣頻率所代表的是聲音的品質，取樣的頻率越高，數位訊號的波形越接近類比訊號的波形，因此聲音的品質也越好。而在做取樣時，必須遵守奈奎斯特頻率，簡單來說，頻率在取樣時至少要大於原訊號頻率的2倍，才可以得到有意義的訊號，也能還原成原本的訊號。
2. 聲音解析度：存取訊號資料點所用的位元數，即代表其解析度。所使用的位元數越大，每個資料點的數值就越精確，聲音的解析度也越好。比較16bit與8bit兩種存取位元，16bit可以存取到較精確的數值，但是也會花比較大的硬體儲存空間。
3. 聲道：聲道就是聲音的來源數，常聽到的單聲道及雙聲道，代表的是聲音是否有立體感。利用兩個喇叭，撥放單聲道的聲音，左右兩個喇叭發出的聲音完全相同，因此會感覺聲音是來自兩個喇叭中間，但若是雙聲道聲音，左右兩個喇叭發出的聲音會有一定差異，因此會覺得聲音聽起來有立體感。

• 舉例來說，藉由MATLAB輸入指令audioinfo(音訊檔案名稱)，可以得到音訊檔案的相關資訊如下圖：

1. 因為檔案格式是*.wav，所以是無壓縮(uncompressed)。
2. 聲道(NumChannels)： 1
3. 取樣頻率(SampleRate)： 44100Hz
4. 聲音解析度(BitsPerSample)： 16

MATLAB聲音信號處理指令

• [y, fs] = audioread(檔名)：y是聲音訊號的向量，fs是取樣頻率。
• audioinfo(檔名)：回傳各種聲音檔案的相關資訊，像是取樣頻率、通道數量、聲音解析度...等。
• sound(y, fs)：以fs的頻率播放聲音訊號y。
• wavwrite(y, fs, filename)：將y訊號，以取樣速率fs，寫到filename.wav之中。
• Y = fft(y)：將時間軸上的訊號y，轉換為頻率軸上的訊號Y。