自然界的声音信号一般都是多种频率声音的复合信号，用来描述组成复合信号的频率范围的..

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第25题

知识点：声音数字音频基础声音信号信号

关键词：范围复合信号声音信号章/节：多媒体音频的处理与编辑

自然界的声音信号一般都是多种频率声音的复合信号，用来描述组成复合信号的频率范围的参数被称为信号的（25）。

A. 频度

B. 音域

C. 响度

D. 带宽

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第23题 2013年上半年

35%

对声音信号采样时，信号量化噪声比（SQNR)与量化位数大约（23)关系。

第28题 2011年上半年

37%

CD数字声音使用（27)个声道，量化精度为（28)位，采样频率为（29) kHz.

第25题 2014年上半年

50%

声音信号数字化，其量化位数每增加1位，信号景化噪声比（SQNR)的数值大约会增加（25) dB。


知识点讲解
· 声音 · 数字音频基础 · 声音信号 · 信号

声音

人能够很好地判定声源的方向。在水平方向上，人们靠声音的相位差及强度差确定声音的方向，因为声音到达两只耳朵的时间或距离有所不同。常见的立体声效果就是靠左、右耳听到在不同位置录制的不同声音实现的，所以会有方向感。现实生活中，当头部转动时，听到的声音的方向就会改变，但在VR系统中，声音的方向与用户头部的运动无关。

数字音频基础

声音是由振动产生的。物体振动停止，发声也停止。当振动波传到人耳时，人便听到了声音。人耳能感受到（听觉）的频率范围为20Hz～20kHz，称此频率范围内的声音为可听声（audible sound）或音频（audio），频率小于20Hz的声音为次声，频率大于20kHz的声音为超声。人的发音器官所发出的声音（人声）的频率大约是80～3400Hz。人说话的声音（话音／语音）的频率通常为300～3000Hz（带宽约3kHz）。

声音具有三个要素：音调、响度（音量／音强）和音色。人耳就是根据声音的三要素区分声音的。

音调（pitch）就是声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高，音调越高。声音的频率是指每秒声音信号变化的次数，用Hz表示。例如，20Hz表示声音信号在1秒内周期性地变化20次。

响度（loudness）又称音量、音强，指人主观上感觉声音的大小，由“振幅”（amplitude）和人与声源的距离决定，振幅越大，响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。响度的单位为分贝（dB）。

音色（music quality）又称音品，由发声物体的材料、结构决定。每个人讲话的声音以及钢琴、小提琴、笛子等乐器所发出的不同声音都是由不同音色造成的。

模拟音频和数字音频

①模拟信号。

音频信号是典型的连续信号，不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。在时间上“连续”是指在任何一个指定的时间范围内，声音信号都有无穷多个幅值；在幅度上“连续”是指幅度的数值为实数。人们把在时间（或空间）和幅度上都连续的信号称为模拟信号（analog signal）。

②数字信号。

模拟信号由于在时间和幅度上都是连续的，因此计算机无法处理这类信号。为了让计算机能够处理这些信号，必须将时间和幅度上的信号都进行离散化。人们把在时间和幅度上都用离散的数字表示的信号称为数字信号（digital signal）。

从模拟信号到数字信号的转换为模数转换，记为A/D（Analog to Digital）。

从数字信号到模拟信号的转换为数模转换，记为D/A（Digital to Analog）。

音频数字化过程

计算机处理和存储的只能是二进制数，所以在使用计算机处理和存储声音信号之前，必须使用模数转换（A/D）技术将模拟音频转化为二进制数，这样模拟音频就转化为数字音频。转换过程包括采样、量化和编码三个步骤，下图显示了音频数字化的过程。模拟音频向数字音频的转换是在计算机的声卡中完成的。

音频信号的数字化过程

①采样。

采样是指将时间轴上连续的信号每隔一定的时间间隔便抽取出一个信号的幅度样本，把连续的模拟量用一个个离散的点表示出来，使其成为在时间上离散的脉冲序列。

每秒采样的次数称为采样频率，用f表示；样本之间的时间间隔称为采样周期，用T表示，T=1/f。例如，CD的采样频率为44.1kHz，表示每秒采样44100次。常用的采样频率有8kHz、11.025kHz、22.05kHz、15kHz、44.1kHz、48kHz等。

②量化。

量化是指将采样后的离散信号的幅度用二进制数表示的过程。

每个采样点所能表示的二进制位数称为采样位数（也称量化位数）。采样位数反映了度量声音波形幅度的精度。例如，每个声音样本用16位（2字节）表示，测得的声音样本值为0～65536，它的精度就是输入信号的1/65536。常用的采样位数为8b/s、12b/s、16b/s、20b/s、24b/s等。

采样频率、采样位数和声道数对声音的音质和占用的存储空间起着决定性作用。

人们希望音质越高越好，占用的磁盘存储空间越少越好，这本身就是一个矛盾。必须在音质和磁盘存储空间之间取得平衡。声音采样的各个要素之间的关系可以用下述公式表示。

数据率=采样频率×采样位数×声道数／8

数据量=数据率×时间=采样频率×采样位数×声道数×时间/8

采样精度还有另一种表示方法，就是信号量化噪声比，简称信噪比（Signal Quantization Noise Ratio, SQNR），通过下式计算：

其中，V_signal表示信号电压，V_noise表示量化噪声电压，也就是模拟信号的采样值和与它最接近的数字数值之间的差值，SQNR的单位为分贝（db）。

③编码。

采样和量化后的信号还不是数字信号，需要把它转换成数字编码脉冲，这一过程称为编码。最简单的编码方式是二进制编码，即将已经量化的信号幅值用二进制数表示，计算机采用的就是这种编码方式。

模拟音频经过采样、量化和编码后所形成的二进制序列就是数字音频信号，可以将其以文件的形式保存在计算机的存储设备中，这样的文件通常称为数字音频文件。

声音信号

声音是通过空气传播的一种连续的波，称为声波。声波在时间和幅度上都是连续的模拟信号，通常称为模拟声音（音频）信号。

1）声音的3个指标

声音主要有音量、音调和音色3个指标。

.音量（也称响度）：声音的强弱程度取决于声音波形的幅度，即取决于振幅的大小和强弱。

.音调：人对声音频率的感觉表现为音调的高低，取决于声波的基频。基频越低，给人的感觉越低沉，频率高则声音尖锐。

.音色：人们能够分辨具有相同音高的不同乐器发出的声音，就是因为它们具有不同的音色。一个声波上的谐波越丰富，音色越好。

2）声音信号的带宽

对声音信号的分析表明，声音信号由许多频率不同的信号组成，通常称为复合信号，而把单一频率的信号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽（bandwidth），它用来描述组成声音信号的频率范围。PC处理的音频信号主要是人耳能听到的音频信号（audio），它的频率范围是20~20kHz。可听声包括如下内容。

.话音（也称语音）：人的说话声，频率范围通常为300~3400Hz。

.音乐：由乐器演奏形成（规范的符号化声音），其带宽可达到20~20kHz。

.其他声音：如风声、雨声、鸟叫声、汽车鸣笛声等，它们起着效果声或噪声的作用，其带宽范围也是20Hz~20kHz。

3）幅度和频率

声音信号的两个基本参数是幅度和频率。幅度是指声波的振幅，通常用动态范围表示，一般用分贝（dB）为单位来计量。频率是指声波每秒钟变化的次数，用Hz表示。

信号

任务间同步的另一种方式是异步信号。在两个任务之间，可以通过相互发送信号的方式，来协调它们之间的运行步调。

所谓的信号，指的是系统给任务的一个指示，表明某个异步事件已经发生了。该事件可能来自于外部（如其他的任务、硬件或定时器），也可能来自于内部（如执行指令出错）。异步信号管理允许任务定义一个异步信号服务例程ASR（Asynchronous Signal Routine），与中断服务程序不同的是，ASR是与特定的任务相对应的。当一个任务正在运行的时候，如果它收到了一个信号，将暂停执行当前的指令，转而切换到相应的信号服务例程去运行。不过这种切换不是任务之间的切换，因为信号服务例程通常还是在当前任务的上下文环境中运行的。

信号机制与中断处理机制非常相似，但又各有不同。它们的相同点是：

.都具有中断性：在处理中断和异步信号时，都要暂时地中断当前任务的运行；

.都有相应的服务程序；

.都可以屏蔽响应：外部硬件中断可以通过相应的寄存器操作来屏蔽，任务也能够选择不对异步信号进行响应。

信号机制与中断机制的不同点是：

.中断是由硬件或特定的指令产生，而信号是由系统调用产生；

.中断触发后，硬件会根据中断向量找到相应的处理程序去执行；而信号则通过发送信号的系统调用来触发，但系统不一定马上对它进行处理；

.中断处理程序是在系统内核的上下文中运行，是全局的；而信号处理程序是在相关任务的上下文中运行，是任务的一个组成部分。

实时系统中不同的任务经常需要互斥地访问共享资源。当任务试图访问资源时被正使用该资源的其他任务阻塞，可能出现优先级反转的现象，即当高优先级任务企图访问已被某低优先级任务占有的共享资源时，高优先级任务必须等待直到低优先级任务释放它占有的资源。如果该低优先级任务又被一个或多个中等优先级任务阻塞，问题就更加严重。由于低优先级任务得不到执行就不能访问资源、释放资源。于是低优先级任务就以一个不确定的时间阻塞高优先级的任务，导致系统的实时性没有保障。下图为是一个优先级反转的示例。

一个优先级反转的示例

如上图所示，系统存在任务1、任务2、任务3（优先级从高到低排列）和资源R。某时，任务1和任务2都被阻塞，任务3运行且占用资源R。一段时间后，任务1和任务2相继就绪，任务1抢占任务3运行，由于申请资源R失败任务1被挂起。由于任务2的优先级高于任务3，任务2运行。由于任务3不能运行和释放资源R，因此任务1一直被阻塞。极端情况下，任务1永远无法运行，处于饿死状态。

解决优先级反转问题的常用算法有优先级继承和优先级天花板。

优先级继承协议

L. Sha、R. Rajkumar和J. P. Lehoczky针对资源访问控制提出了优先级继承协议（Priority Inheritance Protocol，PIP）。

PIP协议能与任何优先级驱动的抢占式调度算法配合使用，而且不需要有关任务访问资源情况的先验知识。优先级继承协议的执行方式是：当低优先级任务正在使用资源，高优先级任务抢占执行后也要访问该资源时，低优先级任务将提升自身的优先级到高优先级任务的级别，保证低优先级任务继续使用当前资源，以尽快完成访问，尽快释放占用的资源。这样就使高优先级任务得以执行，从而减少高优先级任务被多个低优先级任务阻塞的时间。低优先级任务在运行中，继承了高优先级任务的优先级，所以该协议被称作优先级继承协议。

由于只有高优先级任务访问正被低优先级任务使用的资源时，优先级继承才会发生，在此之前，高优先级任务能够抢占低优先级任务并执行，所以优先级继承协议不能防止死锁，而且阻塞是可以传递的，会形成链式阻塞。另外，优先级继承协议不能将任务所经历的阻塞时间减少到尽可能小的某个范围内。最坏情况下，一个需要μ个资源，并且与v个低优先级任务冲突的任务可能被阻塞min（μ，v）次。

优先级冲顶协议

J. B. Goodenough和L. Sha针对资源访问控制提出了优先级冲顶协议（Priority Ceiling Protocol，PCP）。

PCP协议扩展了PIP协议，能防止死锁和减少高优先级任务经历的阻塞时间。该协议假设所有任务分配的优先级都是固定的，每个任务需要的资源在执行前就已确定。每个资源都具有优先级冲顶值，等于所有访问该资源的任务中具有的最高优先级。任一时刻，当前系统冲顶值（current priority ceiling）等于所有正被使用资源具有的最高冲顶值。如果当前没有资源被访问，则当前系统冲顶值等于一个不存在的最小优先级。当任务试图访问一个资源时，只有其优先级高于当前系统冲顶值，或其未释放资源的冲顶值等于当前系统冲顶值才能获得资源，否则会被阻塞。而造成阻塞的低优先级任务将继承该高优先级任务的优先级。

已经证明，PCP协议的执行规则能防止死锁，但其代价是高优先级任务可能会经历优先级冲顶阻塞（Priority ceiling blocking）。即高优先级任务可能被一个正使用某资源的低优先级任务阻塞，而该资源并不是高优先级任务请求的。这种阻塞又被称作回避阻塞（avoidance blocking），意思是因为回避死锁而引起的阻塞。即使如此，在PCP协议下，每个高优先级任务至多被低优先级任务阻塞一次。使用PCP协议后，能静态分析和确定任务之间的资源竞争，计算出任务可能经历的最大阻塞时间，从而能分析任务集合的可调度性。在PCP协议下，高优先级任务被阻塞时会放弃处理器，因此，访问共享资源的任务可能会产生4次现场切换。

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