現代通信系統徹底改變了音頻行業的前景。它們也改變了人們相互交流、互動和溝通的方式。 隨著智能數字音頻技術的日益普及，人們開始傾向于在家中享受自動化和聯網的音頻體驗。智能揚聲器和 Facebook 門戶網站等設備因其智能和智慧功能而受到追捧。語音識別、360 度音頻和無線音頻等技術走在了音頻行業的前沿。身臨其境的聲音概念讓聽眾的交流變得更加自然和超現實。在這些高品質音頻體驗的背后，有多種工具和技術可以增強音效，并在實現高音質方面發揮重要作用。為了讓學生們更加了解數字和模擬音頻信號處理，我們撰寫了此文。

一、音頻信號處理簡介

音頻信號處理是一種將密集算法和技術應用于音頻信號的方法。音頻信號是以數字和模擬信號形式表現的聲音。其頻率范圍為 20 至 20,000 Hz，這是我們耳朵的下限和上限。模擬信號以電信號的形式出現，而數字信號則以二進制的形式出現。這一過程包括通過轉換數字信號和模擬信號來消除不必要的噪音，平衡時間和頻率范圍。它側重于通過計算方法來修改聲音。它利用各種技術消除或盡量減少過度調制、回聲和不必要的噪音。

二、提高音頻質量的技術

1.模擬數字轉換

模擬音頻信號受噪聲和失真影響較大。將其轉換為數字信號后，就可以在不降低質量的情況下輕松地對其進行處理、存儲和傳輸。使用固定的采樣率，并將電信號轉換為二進制位分辨率。采樣率和測量精度越高，質量就越高。

ADC 的性能取決于其帶寬和信噪比 (SNR)。帶寬由采樣率決定，信噪比則隨分辨率、精度、混疊(當編碼信號與原始信號不同時發生)等的變化而變化。如果 ADC 的信噪比大于輸入信號的信噪比，則認為 ADC 是理想的。

2.音頻效果--音頻預處理和后處理方法

后處理算法用于抑制預處理階段產生的噪音和人工痕跡。主要重點是消除回聲和失真以及改善語音。平滑和過濾是常用的后處理技術，用于增加混響和控制噪音。

a.數據壓縮和/或解壓縮

壓縮是最強大的混音工具之一，是縮小音頻信號動態范圍的過程。動態范圍是音頻信號最大范圍和最小范圍之間的差值。

例如，當我們大聲喊叫或低聲耳語時，聲音的音調要么過高，要么過低。如果不經過壓縮就進行錄制，聲音就會失真。壓縮器通過衰減最響亮的聲音和放大最緩慢的聲音來解決這個問題。它能幫助我們在配樂中找到完美的平衡，使聲音更加自然，不會失真。它還能減少數字音頻流的帶寬和文件大小，從而節省存儲空間并加快傳輸速度。

音頻壓縮有兩種類型，即無損壓縮和有損壓縮。無損音頻壓縮最常用，因為它的壓縮率比原始數據高得多。這可能會刪除無關信息并降低質量。最流行的音頻壓縮技術是 MP3 和 AAC 壓縮。

b.自動回聲消除器(AEC)

回聲消除器在音頻信號處理中發揮著重要作用。它能消除麥克風和揚聲器之間的聲耦合引起的回聲、混響和不必要的噪音。由于聲學耦合，麥克風會在一定距離外拾取語音。

假設您正在與某人進行語音通話。與您通話的另一人的語音稱為遠距離語音，將通過揚聲器播放，而您自己的語音稱為近距離語音，將由麥克風拾取。如果將遠程語音傳輸給對方，對方聽到自己的語音時會有延遲(網絡延遲 + 處理延遲)。AEC 可防止遠程語音傳輸到通話另一方。

c.重新采樣

過采樣是指每秒產生的采樣總數。這些采樣以千赫(kHz)為單位，一個單位相當于每秒 1000 次。 不同的音頻系統使用不同的采樣率和幀頻。這就是測量音頻信號頻率的方法。它的工作原理是過采樣和轉碼，從而減少噪音和失真。采樣頻率越高越好，因為它能提供更準確的信號起伏細節，從而改善音質。

d.濾波

濾波器被認為是任何信號處理中最基本的電路，幾乎用于所有處理過程。它能去除不需要的噪音、回聲和失真，并允許濾波后的數據通過。討論帶通濾波器，它只通過某些頻率，而拒絕其他頻率。

e.均衡

均衡器用于改變或調整頻率，使發射器的音頻頻譜與接收器的音頻頻譜相匹配。使用低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器可將頻率范圍調高或調低。頻率成分之間的延遲被消除，從而獲得所需的輸出。

f.自動增益控制(AGC)或音量控制

在輸入信號不同的情況下提供恒定的輸出。指定應用于輸入信號的增益或衰減量，以實現目標輸入信號。如果輸入信號高于目標信號，則 AGC 會減去增益;如果輸入信號低于目標信號，則 AGC 會增加增益。增益表示控制聲音的通道輸入的音量。

g.波束成形

波束成形又稱空間濾波，是麥克風陣列處理中使用的一種信號處理技術。波束成形利用陣列中麥克風的空間多樣性來檢測和提取所需的聲源信號，并抑制不需要的干擾。 波束成形用于根據聲源信號的方向將復合麥克風陣列的定向波束引向特定方向。這項技術有助于增加復合傳聲器的范圍，提高信噪比 (SNR)。

3.數模轉換(DAC)

如今的音頻信號大多以 MP3 等數字形式存在，但如果要通過揚聲器收聽，就需要將其轉換為模擬信號。它將數字數據流轉換成模擬音頻信號，然后將轉換后的模擬信號發送到放大器。然后由揚聲器和音樂播放器等輸出設備使用。這一過程可改善整體音質，增強聽覺體驗。帶有 DAC 的設備包括數字揚聲器、CD 播放器、音樂播放器等。

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