單元十

1. 單元十 聲音電路

2. 單元十 聲音電路 • 10-1 語音與音樂 • 10-2 合成技術 • 10-3 音頻響應單元 • 10-4 音樂與聲音合成器 • 10-5 語言合成器 • 10-6 語音認知器簡介 • 10-7 音效卡

3. 10-1 語音與音樂 • 語音與音樂 • 電腦的輸出週邊設備以文字及圖形的顯示、列印、儲存為主。 • 人們希望電腦能以音樂來表示輸出資料，甚至能以語言來表示，如同人們對話交談一般，使人們與電腦之間，不再只是靜靜的按鍵或從螢幕來讀取資訊。 • 對電腦而言，音頻輸出不外乎是音樂、聲音及語音三者。 • 以電腦來做音樂台成器，不但可以產生各種樂器的音色，更可模擬各種不同聲音如蟲鳴、鳥叫…各種自然界的聲音，當然，這些聲音、音樂的合成需要軟體與硬體的配合才可能實現。 • 電腦在音頻輸出週邊設備方面，大致有下列三種主要類型: • 錄音的重播。 • 音樂和聲音的合成。 • 語言的合成。

4. 10-2 合成技術 • 常見的音頻合成方法 • 相位累加 • 相加合成 • 調頻合成 • 相位累加合成技術 • 相位累加合成技術又稱為直接數位合成術。 • 累積器以循環不息的方式連續產生各種聲頻相位。 • 採用數位處理方式，適合以微處理器來完成 • http://www.infinet.com.tw/support/app/TM/20040623DDS/20040623DDS_P1.asp

6. 10-2 合成技術 • 相加合成技術 • 相加會成技術又稱為數位諧波合成技術。 • 利用微處理器來控制每一諧波的振幅和頻率以達到合成的目的 • 任一波形是由一基本波與不同的諧波成份組合而成」。 • 利用微處理器將各諧波依不同比例合成一所需波形。 • 利用此種合成技術“幾乎可產生任何聲音波形。 • 在硬體配合方面，必須為每一聲音諧波設計一種可控制其頻率與振幅的正弦波產生器 • 通常需要10一15個諧波才能合成所需之聲音波形 • 因此硬體較為複雜，軟體配合方面，必須能控制各諧波的頻率與振幅，對八位元微處理機而言。較難以處理，但是十六位元微處理器或三十二位元微處理器則不成問題。

7. 10-2 合成技術 • 調頻合成技術 • 以一函數波形(通常是正弦波)去調變另一振盪器，藉以改變其輸出頻率或相位的一種方式。 • 振盪器未受調制時的振盪頻率稱為載波，而用以調變之信號則稱之為調變波。 • 當載波和調變波的比值改變時，調頻波的頻譜也隨之改變，所產生的聲音也隨之變化。 • 只要適當地控制載波與調變波頻率的比值，即可產生不同頻譜 • 利用調頻合成技術可簡單地獲得所需的聲音信號波形

8. 10-3 音頻響應單元 • 音頻響應單元又稱為音頻播放單元， • 將語言經類比至數位轉換電路(ADC)處理成數位信號。儲存於半導體記憶體中，以免除因磁帶機馬達驅動的機械問題。 • 其工作原理為將語音(經類比至數位轉換器轉換成數位化資料，儲存在EPROM內，亦可存於隨機記憶體內) • 以報時台為例，只需將時間以時、分、秒組合，即可發出任一時刻的報時語音，簡單又方便。 • 通常在這種自動播放系統中，約可使用128個至256個語音字彙，存於記憶體內，使用時，要求出其柑關位址。再取出資料，送到數位至類比轉換中(DAC)器，轉換成原來錄製的語音。達到自動播音的要求。

9. 10-4 音樂與聲音合成器 • 合成器藉著軟體程式控制電腦將聲音元素組合成音樂或聲音 • 一切音樂與聲音是人造的。 • 由程式設計師將基本的聲音元素以某種方式加以合成而得到，與播放單元所播放再生的原音並不相同， • 可任意組合產生各種不同音調、音色的聲音 • 主要用於 • 樂團演奏的和聲之用， • 電子風琴或電子琴的合聲用 • 作曲家或音樂家作音樂實驗用 • 電影或電視上製造各種聲音效果 • 電視遊樂器中產生或模擬射擊、碰撞、爆炸、背景音樂之用， • 個人電腦中演奏音樂、製造音響效果之用

10. 10-4 音樂與聲音合成器 • 簡單型的聲音合成器 • 可產生128個到256個可程式化的音調 • 其頻率範圍一般在1OOHz~3OkHz之間正弦波音調 • 且為一個聲道輸出。 • 較複雜的音樂合成器 • 則可同時產生多種音調，可以用來產生和聲效果，音調不只256種 • 可利用記憶體預存不同音色的波形資料組合模擬樂器的音色。 • 利用組合語言程式來產生各種音調 • 使用者可行設計或規劃樂譜以演奏音樂 • 在樂譜中通常包括音階、節拍、音長、休止、反覆、音色、音量、拍子等各種符號其操作範圍一般在4~6個音程內，有2~4個聲道輸出。

11. 10-4 音樂與聲音合成器 • 音樂合成器 • 一般音樂合成器具有左右聲道輸出能力，其音調範圖則涵蓋了大部份鋼琴琴鍵的範圍 • 標準鋼琴琴鍵有88鍵，最低音約為27Hz， • 除了較低音的七個琴鍵外，其它音調都可以合成器來模擬產生 • 硬體部份通常包含下列主要部份: • 資料控制振盪器 • 諧波重生器 • 聲調電路 • 音節電路中 • 節拍產生器 • http://www.nsc.gov.tw/_newfiles/popular_science.asp?add_year=2003&popsc_aid=197

12. 10-4 音樂與聲音合成器 • 資料控制振盪器 • 作用在於產生音效合成的基準音正弦波 • 由於每一音程有十二個半音，因此有合成器設有十二個獨立的正弦波產生器。 • 可只振盪一個正弦波信號．再利用除頻電路產生十二個音的信號 • 目前大部分合成器都由微處理器負責控制，輸入輸出均以數位方式處理，即輸出信號頻率是由輸入的數位資料來加以控制，因此稱為資料控制振盪器

13. 10-4 音樂與聲音合成器 • 諧波產生器 • 一般樂器的波形中，除了基本波之外，均含有不同程度的諧波成份，才能使其音色悅耳且具有獨特的聲音。 • 和用正反器做成除頻電路，將基本信號經四級除2的除頻器，可 • 產生四個不同頻率的信號波形，分別以第一至第四元素稱之。 • 第一元素的頻率最低;第四元素的頻率最高，為第一元素的八倍

14. 10-4 音樂與聲音合成器 • 聲調電路 • 由於諧波產生電路的輸出信號不適合直接混合以產生所需波形，因其電壓在2.2V到3．8V之間變化，準位並不一致。 • 經CMOS緩衝閘加以緩衝，在獲得較為一致的電壓準位後再加到混合電路中。 • 四個諧波信號經緩衝後，送到一組電阻階梯網路，經一個CMOS的傳輸閘才將聲音信號輸出。

15. 10-4 音樂與聲音合成器 • 音節電路 • 控制合成信號衰減速度的電路。 • 決定一個樂器的音質的另一個因素為其聲音的衰減速度，有些樂器的聲音可慢慢衰減，有些則會迅速衰減，合成器要合成某樂器的音質、音色，就必須能控制其衰減速度。 • 音節電路基本上是一類比乘法器。 • 輸入電壓來自聲調電路輸出。控制信號則來自微處理器，依樂器的特質來加以控制，控制其衰減的幅度， • 圖10-7所示為較完整的音節電路，衰減幅度由電容器上的電荷來控制，只要改變電容器的放電速度，即可控制衰減速度。

16. 10-4 音樂與聲音合成器 • 節拍產生器 • 節拍產生器用以控制各音符的演奏時間， • 利用CMOS反相器做成振盪器，振盪頻率在0．25H，到I5Hz之間。 • 輸出連接到一個節拍單擊電路

17. 10-4 音樂與聲音合成器 • 音樂合成器軟體 • 音樂合成器必須藉著微處理器的控制。才能發揮其功能，演奏音樂。 • 必須有一個功能強大，使用方便的軟體，才能隨心所欲地控制合成器。 • 完整的音樂合成軟體由主程式和許多副程式組成。 • 微處理機利用指標去取入存於記憶體內的音樂碼的資料，它可能是十二個音符之一、音符長度、音程變換，或是休止符代碼，經解碼後，可知其所代表之意義，再依其指示完成應做的工作，即送出各種控制信號給合成器，使其演奏音符。如此一再循環，直到樂曲奏完為止。

18. 10-4 音樂與聲音合成器 • 音階與頻率之關係 • 鋼琴的琴鍵，由黑色、白色相間的琴鍵所組成 • 相鄰的二個琴鍵其頻率相差 ，因此，La的頻率由55、110、220、440、880、1760、3520、7040(單位微赫芝，Hz)以倍數遞增 • 音樂合成器必須產生12個半音的頻率，再以除頻或倍頻方式即可產生所有音階的頻率訊號，供做合成之用 • 合成軟體除了要產生各種頻率之外，還要控制波形，以產生各種樂器特有的音色，以及輸出音量的衰減速率。才能重現完美的音樂合成效果。

19. 10-5 語言合成器 • 語言合成器 • 將各種人類語音的音素組合成人類的語音。 • 除了音素表現不同意義外，更要配合重音的變化才能完全表達意義 • 在典型的語言系統中，通常要用63個音素組合與4個重音指令。 • 程式設計者可將各指令混合運用、組合，以合成各種不同的語音。 • 語音合成器的應用 • 幫助視覺障礙的人們。 • 協助兒童做拼音練習之用 • 目前則在工、商企業界普遍應用 • 商店：「歡迎光臨」、「謝謝光臨」。

20. 10-5 語言合成器 • 一般語音合成器的主要元件有下列三者: • 人類聲道的電子類比裝置。 • 軟體程式，可指定控制參數，發出語音。 • 聲音的控制界面電路。

21. 10-5 語言合成器 • 人類的聲道 • 人類聲道的結構，由喉門、咽頭、嘴唇、鼻孔，長度在16公分~19公分之間。 • 發聲時。氣體自肺部排出，經聲帶時造成聲帶的振動，利用口腔、鼻腔做為共振室，以舌頭。唇型配合控制發出的聲音， • 口腔內的肌肉控制了共振管道，控制氣體流量、聲帶張量，及口腔形狀、舌頭位置等。 • 英語全部由26個字母，配合一些符號組成。 • 理論上。只要以字母的語音為音素，即可組成各字的語音， • 實際應用中，因同一字母所發出的語音與音長並不相同，。要將重音一併處理。 • 另外。同一字母在不同字中會有不同發音，因此，語言合成器必須能將一個由一組字母組成的字轉成個人發音習慣的語音。

22. 10-5 語言合成器 • 要使語音合成器發出與人類近似的語音，必須能將母音、子音、重音等音素組合發聲。 • 語言合成器必須有母音和子音產生電路。 • 母音產生電路 • 人類的聲道有如一條長約17．3公分的共振管道 • 發聲時，在500、1500和250OHz處形成駐波，此即為語音素頻率。 • 這三個頻率是決定母音音素品質的共振頻率帶的中央頻率。因此可發出各種不同的聲音。

24. 10-5 語言合成器 • 子音產生電路 • 子音的產生較母音的產生更複雜 • 和母音產生類似的電路外， • 氣音雜音源 • 鼻音共振器 • 擦音共振器

26. 10-6 語音認知器 • 語音認知器 • 一種最直接的輸入方式 • 有人稱之為自動語音認知器，簡稱ASR，或稱為聲音資料輸入，簡稱VDE。目前已大量應用於工商企業界。如自動化倉儲、品質管制…等。 • 語音認知器可適用在下列場合: • 只使用一套特定的字彙，即使用的語句不多時。 • 操作員需同時使用手、眼處理事務。無法用手來輸入命令時。 • 操作者無法直接下達命令，如操作員與電腦間距離頗遠，但可利用無線電傳送口述命令時。 • 較為特殊資料輸入方式時。

27. 10-6 語音認知器 • 語音認知動作原理 • 一般語音認知系統包含三個部份: • 對麥克風的輸入及控制台的操作是以聲音或影像(顯示於顯示器 上)的方式回讀給操作者。 • 微處理機控制器:含感音特性偵測器，參考音型記憶相關處理器及認知程式。 • 輸出有關界面。 • 人們說話時，含有音感特性的類比信號將被轉成數位信號，將文字的數位資料值和內存的字彙的數位信號比較。如果吻合時，系統即認知該字，否則拒絕接受，換言之，必須先在系統中建立常用字彙資料庫才能供辨認之用，因此，其字彙的數量受其記憶容量限制。

30. 10-6 語音認知器 • 語音認器知的體系 • 單字有限字彙語音認知系統 • 連續語音系統 • 單字會意會意 • 連續語音會意系統。 • 多音源認知系統。 • 無限字彙系統

31. 10-7 音效卡 • 音效卡的主要作用是讓電腦發出聲音 • 一般的聲音 • 樂器的聲音 • 說話的聲音 • 機器的聲音 • 大自然的聲音(風聲、雨聲、動物的鳴叫聲…等 • 電腦合成製造的聲音 • 聲音是一種連續的振動。其頻率範圍在2OHz一2OkHz之間，人類耳朵可以感受振動的變化。 • 波形三要素 • 波幅 • 頻率 • 相位

32. 10-7 音效卡 • 不同樂器或者不同的人，因為發聲結構不同，波幅、頻率、相位不同將會呈現不同音色，甚至不同的波形組合亦會有所不同 • 任一波形均可以傅利葉級數加以分析。任何一個波形均可由基本波及不同振幅、相位的諧波所組成。 • 只要有基本波及不同的諧波，理論上可以合成任意波形，不同的組成有不同音色，音效卡就是以這個原理設計而成。 • 所謂頻率是指一種每秒中出現的重複變化的次數，單位為赫茲(Hz)音頻範圍在0~30OkHz之間，人耳只能聽到20一2OkHz左右，這類波形一般是以正弦波的形式存在，因為它的變化是周而復始的連續變化，是屬於類比的信號，而電腦通常只能直接處理數位信號，因此。必須將類比信號先轉換成數位信號。這個電路就稱為類比/數位轉換電路，簡稱ADC。

33. 10-7 音效卡 • A/D轉換電路原理 • 是將一個波形。以固定時間切割為N等份。每一等份再轉為對應的數位值。切割的速度就是取樣頻率，取樣頻率愈高傳真度愈高，愈接近原來波形。 • 在 MPGl 的規格中，取樣頻率為2205OHz，(22kHz)，轉換後的數位值以8位元表示，MPG2的取樣頻率提升為44100Hz(44kHz)，數位值改以16位元表示。 • 以8位元而言。錄音1分鐘的檔案大小為: 8bit×2205OHz×60秒=1323000Bytes二l.26MB • 以16位元而言。錄音1分鐘的檔案大小為: 16×441000×60=52920000Bytes=50.45MB

34. 10-7 音效卡 • 聲音之合成技術 • 聲音經麥克風輸入，再經取樣及A/D轉換為數位信號，輸入到電腦處理後，不能直接送到喇叭來發出聲音，必須先經過數位類比轉換電路(DAC)轉換為類比信號才能送到喇叭來輸出聲音。 • 一般音效卡合成聲音或音效常用的合成方法 • FM • Wave table • FM (Frequency Modulation) • 稱為調頻合成技術，係利用一個信號去調變載波。調頻時會產生不同的旁波帶成份而產生不同音色，模擬各式樂器的聲音。 • 這種方式的音效卡的聲音品質較差，但成本及體積都很小， • 像Adlib就採用這種技術。

35. 10-7 音效卡 • Wave table • 稱為波形表技術，係先將各式不同樂器的聲音錄下，轉為數位信號儲存於電腦中，播放時取出指定樂器的數位資料送到音效卡，轉換為類比信號，重現樂器的聲音。 • MIDI • Musical Instrument Digital Interface的簡稱。 • 在1983年由電子樂器廠商及國際標準委員會共同制定的轉換標準， • 可以透過指令控制要輸出的樂器。頻率、長度等， • MIDI規定了每個電子樂器的頻道(1~16 channel)，音階、節奏 • 一分鐘的MIDI音樂只須2OkBytes左右 midi • 在音效上有一個和搖桿插座共用的輸入埠。可以連接MIDI電子樂器電鍵盤，經由演奏及轉換，直接轉為MIDI格式儲存。