Обработка аудиосигнала - Audio signal processing

Обработка аудиосигналов - это подполе обработки сигналов , которое связано с электронной обработкой аудиосигналов . Аудиосигналы - это электронные представления звуковых волн - продольных волн, распространяющихся в воздухе, состоящих из сжатий и разрежений. Энергия, содержащаяся в аудиосигналах, обычно измеряется в децибелах . Поскольку аудиосигналы могут быть представлены в цифровом или аналоговом формате, обработка может происходить в любом домене. Аналоговые процессоры оперируют непосредственно электрическим сигналом, а цифровые процессоры математически оперируют его цифровым представлением.

История

Мотивация к обработке аудиосигналов началась в начале 20-го века с такими изобретениями, как телефон , фонограф и радио, которые позволили передавать и хранить аудиосигналы. Обработка звука была необходима для раннего радиовещания , так как было много проблем со связью между студией и передатчиком . Теория обработки сигналов и ее применение к звуку в значительной степени были разработаны в Bell Labs в середине 20 века. Клода Шеннона и Найквист ранние работы «ы по теории связи , отбора проб теория и импульсно-кодовой модуляции (PCM) , были заложены основы для поля. В 1957 году Макс Мэтьюз стал первым человеком, синтезировавшим звук с компьютера , что породило компьютерную музыку .

Основные разработки в области кодирования цифрового звука и сжатия аудиоданных включают дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (DPCM), выполненную Ч. Чапином Катлером в Bell Labs в 1950 году, линейное прогнозирующее кодирование (LPC), разработанное Фумитада Итакура ( Университет Нагоя ) и Сюдзо Сайто ( Nippon Telegraph и Телефон ) в 1966 году, адаптивный DPCM (ADPCM) П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Джеймс Л. Фланаган из Bell Labs в 1973 г., кодирование с дискретным косинусным преобразованием (DCT) Насиром Ахмедом , Т. Натараджаном и К. Р. Рао в 1974 г., и кодирование с модифицированным дискретным косинусным преобразованием (MDCT), разработанное JP Princen, AW Johnson и AB Bradley в Университете Суррея в 1987 году. LPC является основой перцептивного кодирования и широко используется в кодировании речи , в то время как кодирование MDCT широко используется в современном аудио. форматы кодирования, такие как MP3 и Advanced Audio Coding (AAC).

Аналоговые сигналы

Аналоговый аудиосигнал - это непрерывный сигнал, представленный электрическим напряжением или током, который аналогичен звуковым волнам в воздухе. Затем обработка аналогового сигнала включает физическое изменение непрерывного сигнала путем изменения напряжения, тока или заряда через электрические цепи .

Исторически до появления широко распространенной цифровой технологии аналоговый был единственным методом манипулирования сигналом. С того времени, когда компьютеры и программное обеспечение стали более функциональными и доступными, предпочтительным методом стала цифровая обработка сигналов. Однако в музыкальных приложениях аналоговая технология часто по-прежнему желательна, поскольку она часто дает нелинейные отклики, которые трудно воспроизвести с помощью цифровых фильтров.

Цифровые сигналы

Цифровое представление выражает звуковую волну как последовательность символов, обычно двоичных чисел . Это позволяет обрабатывать сигналы с использованием цифровых схем, таких как процессоры цифровых сигналов , микропроцессоры и универсальные компьютеры . В большинстве современных аудиосистем используется цифровой подход, поскольку методы цифровой обработки сигналов намного мощнее и эффективнее, чем обработка сигналов в аналоговой области.

Приложения

Способы обработки и области применения включают хранение , сжатие данных , поиск музыкальной информации , обработку речи , локализацию , акустическое обнаружение , передачу , шумоподавление , акустические отпечатки пальцев , распознавание звука , синтез и улучшение (например, эквализацию , фильтрацию , сжатие уровня , эхо и реверберацию). удаление или добавление и т. д.).

Аудиотрансляция

Обработка аудиосигнала используется при трансляции аудиосигналов для повышения их точности или оптимизации полосы пропускания или задержки. В этой области наиболее важная обработка звука происходит непосредственно перед передатчиком. Аудиопроцессор здесь должен предотвращать или минимизировать перемодуляцию , компенсировать нелинейные передатчики (потенциальную проблему со средневолновым и коротковолновым вещанием) и регулировать общую громкость до желаемого уровня.

Активный контроль шума

Активный контроль шума - это метод, предназначенный для уменьшения нежелательного звука. Создавая сигнал, идентичный нежелательному шуму, но с противоположной полярностью, два сигнала нейтрализуются из-за деструктивных помех .

Аудио синтез

Аудиосинтез - это электронная генерация аудиосигналов. Музыкальный инструмент, который выполняет это, называется синтезатором. Синтезаторы могут имитировать звуки или генерировать новые. Аудиосинтез также используется для генерации человеческой речи с помощью синтеза речи .

Звуковые эффекты

Звуковые эффекты изменяют звук музыкального инструмента или другого источника звука. Общие эффекты включают искажение , часто используемое с электрогитарой в электроблюзе и рок-музыке ; динамические эффекты, такие как педали громкости и компрессоры , влияющие на громкость; фильтры, такие как педали вау-вау и графические эквалайзеры , изменяющие частотные диапазоны; эффекты модуляции , такие как хорус , фленджер и фазеры ; эффекты высоты тона, такие как переключатели высоты тона ; и временные эффекты, такие как реверберация и задержка , которые создают эхо-звуки и имитируют звук различных пространств.

Музыканты, звукорежиссеры и продюсеры используют блоки эффектов во время живых выступлений или в студии, обычно с электрогитарой, бас-гитарой, электронным клавишным или электрическим пианино . Хотя эффекты чаще всего используются с электрическими или электронными инструментами, их можно использовать с любым источником звука, например с акустическими инструментами, барабанами и вокалом.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение