传统录音机和数码录音笔在信道中的差异

传统录音机和数码录音笔在信道中的差异 传统录音机和数码录音笔在信道中的差异 2011年12月 第23卷第6期 湖南警察学院学报 JournalofHunanPoliceAcademy Dec2(?l Vol23N(1.6 传统录音机和数码录音笔在信道中的差异 邓宗权,邱立欣 (天津市公安局物证鉴定中心,天津300061) 摘要:语音是重要的法庭证据.随着科学技术的进步,各种各样的语音采集设备出现在人们的日常生活中从 传统的录音机到数字录音笔,手机,MP3,语音采集经历了由模拟信号到数字信号的转换过程.不同的采集设备和方 法会造成语音的信道差异.传递语音信号的通道,如:传统录音机和数码录音笔由于各自的频率响应性能不同,对信 号施加的影响也不同.传统录音机传递的是连续变化的模拟信号,数码录音笔传递的则是以有限个"】,,和"0"的代码 组合成为信息的数字信号,两者是现在普遍应用的两种信号模式.研究明:信号通道对于语音识男fj,特别是自动语 音识别的影响是明显的,但是对于图谱视觉检验的影响,影响的程度如何还尚待进一步的深入研究 关键词:信道;模拟信号;数字信号 中图分类号:D918,2文献标识码:A文章编号:2095—1140(2011)06—0120—05 引言 视听资料(Audio—VideoMaterials,AVM)是以数 字化形态为特征的,证明案件事实情况的新的证据 形式,视听资料包括数字化的语音,图像资料,以及 广义的计算机存储资料,在数字化的视听性能方面 达到了高度的统一?.视听资料作为一种独立的诉讼 证据,分别在1898年,1991年,1997年被列人中华 人民共和国行政诉讼法,民事诉讼法和刑事诉讼 法?.20世纪80年代中后期以后,录音录像设备的 使用在社会各界逐渐普及,使得录音,影像资料在各 类案件中出现的频率越来越高.随着计算机技术, 网络技术和IT产业的发展,视听资料取得了巨大的 发展.视听资料以其客观,公正,真实和信息丰富, 再现能力强等独特的特点在公安司法中的作用越 来越明显. 语音,声音资料是将言语声波,非言语声波以物 理方法下来而形成的.语音作为言语信号的物 质载体,既有社会性又有话者个体特征.它的社会意 义可以反映说话人要表达的意志,而语音的个体特 征可以表明话者的身份.通过对话者言语语音的采 集进行视觉检验,从而可以进行身份,性别,年龄等 的认定.语音信号处理中,由于检材和样本的条件差 异,会对语音检验在基频,音长,共振峰,姒度等参数 有很大的影响.检材和样本的条件异_太大会直接 影响鉴定结果的准确性.鉴于此,本文对信号通道对 于语音识别,特别是自动语音识别的影响,影响的程 度如何进行系统的研究. 一 ,传统录音机和数码录音笔的工作原理 (一)传统录音机的工作原理 传统录音机主要是南机器的内话筒,放磁 头,录音磁带,扬声器,放大电路,传动机构等部分组 成.录音磁带表面涂有磁粉,录音机内磁头录音 时,磁头内的线圈因通过的录音电流而产生的磁场, 磁化了传动中的磁带,在磁带中留下了磁记录信号'., 而在放音时,磁带中的磁记录信号,在放音磁头的线 圈上转为电流信号而推动后面的喇叭发声.软盘l二 有一个镀有磁化材料的圆片状塑料薄片,在软驱巾的 磁头从转动的薄片上读取或写人的足数字信_nJ,磁 头对软盘进行两个数字命令;磁化和磁化,以完成 连续的数字信号读取?.录音机录制声音时,声音通 过话筒而产生随声音变化的感应电流(音频电流), 声音通过放大电路的放大以后,进人录音磁头的线 圈中,随即在磁头缝隙处产生随着音频电流变化的 磁场,录音磁带紧贴着磁头缝隙不断的移动,致使磁 收稿日期:2011—07一l5 作者简介:邓宗权(1983一),男,天津市公安局物汪鉴定中心助理工程师,主要从事 数字化模糊像处理和商频处J_f1:;邱 立欣(1982一),男,天津市公安局物证鉴定中心,助理工程师,主要从事数字化模糊 图像处理和音频处. ?崔景旭等.《视听资料检验》.警官教育出版社.2004,第1页. ?崔景旭等.《视听资料检验》.警官教育出版社.2004,第3页. ?公安部人事训练局《公安信息通信技术教程》第367页. 120 第6期湖南警察学院学报2011年.12月 带上的磁粉层被磁化,因此磁带上就记录下了声音 的磁信号.录音机放出声音时是录音的逆过程,磁带 不断紧贴着放音磁头的缝隙通过,磁带上变化磁场 使磁头线圈中产生感应电流,因为感应电流的变化 线与磁信号相同,所以线圈中产生的就是音频电流, 在这个音频电流经过放大电路放大后,通过扬声器 就将音频电流还原成声音. (二)数码录音笔的工作原理 数码录音笔是通过对模拟信号的采样,编码之 后通过数模转换器将模拟信号转换为数字信号的, 后又进行一定的压缩进行存储.所以数字信号即便 经过多次复制,声音信息也不会受到任何损失,将保 持不变. 数码录音笔的特点: 1.体积小巧,重量轻便 数码录音笔是以存储器为主题,加上闪存和超 大规模的集成电路的内核系统所组成的,因此整个 产品重量轻便,体积小巧. 2.连续录音的时间长 传统录音机使用的每一盒录音磁带的录音时间 长度是40—6O分钟,最长的也就是9O分钟.而目前 存储容量最小的数码录音笔的连续录音时间长度都 在5矗小时,更高端的产品达到几十个小时的连续 录音能力也是很常见的. 3.使用寿命长 传统录音机的内部采用的是机械结构,使用时 问长乐就会发生磨损的情况,因此寿命有限.一盒普 通的磁带,反复的录,擦几十次基本上就是报废了, 而且磁头和传动装置时间长了也会发生一定的磨 损.而数码录音笔所采用的是电子结构,因此可以做 到无磨损,使用的寿命也会比较长. (三)录音机和录音笔的差异 为了更好的了解传统录音机和数码录音笔的区 别,我们根据以上内容进行了归纳总结,详见表1.3. 表1.3录音机与录音笔的区别情况 项目数码录音笔传统录音机 机械传统装置无有,防震性能差 功耗低高 音质高保真失具重 复制损耗无有 体积小大,受磁铁体积限锒 外加磁场影响很小可造成磁介质损坏 数字格式,可自由编辑,模拟格式录音格式 可与电脑上传下载 项目数码录音笔传统录音机 录音时间很长短 可擦写次数100万次以上数千次 二,传统录音机和数码录音笔的模式转换 模拟数据也称为模拟量,相对于数字量而言,指 的是取值范围是连续的变量或者在某个区间产生的 连续值.例如,声音,图像,温度,压力.数字数据也称 为数字量,相对于模拟量而言,指的是取值范围是离 散的变量或者数值.例如:计算机中使用二进制代码 来表示的字符,音频,图形与视频数据. (一)模拟信号和数字信号 模拟信号指幅度的取值是连续的(幅值可由无限 个数值表示1.时间上离散的模拟信号是一种抽样信 号,它是对模拟信号每隔时间T抽样一次所得到的 信号,虽然其波形在时间上是不连续的,但其幅度取 值是连续的,所以仍是模拟信号,称之为脉冲幅度调 制(PAM,简称脉幅调制)信号.平时我们听到的声音, 看到的电视图像都是模拟信号.数字信号采用断续 变化的电压或光脉冲来表示,通信双方则需要用电 缆,双绞线或光纤介质将连接起来,这样才能将信号 从一个节点传到另一个节点. (二)模拟信号与数字信号的相互转换 模拟信号和数字信号之间是可以相互转换的, 模拟信号中的不同幅度分别对应数字信号中不同的 二进制值,实用中常采取24位或30位编码;数字信 号则通过采用载波进行移相的方法,将其转换为模 拟信号. 信号是信息的载体,所以模拟信号和数字信号 本质上是相同的.不同点在于存贮,传输及其它处理 的方式.模拟信号和数字信号有着很大的区别.模拟 信号是用连续变化的数值来表示要说明的信息;数 字信号是用有限个"1"和"0"的代码来表示信息中某 一 个字符,当很多字符组合起来时,才能表达完整的 信息. 1.传统录音机的信号转化 如果从发射信号到接收信号都是模拟信号的 话,那么这个通信系统就是一个模拟通信系统. 2.数码录音笔的信号转化 如果将传送的信号转变为数字信号,经过通信 线路的传输,并且接收端所接收到的信号是数字信 号的话,那么这个通信系统就是一个数字通信系统. (三)两者之间的差异 1.由于将信号进行了数字化处理,所以就有可能 对声音,静止图像及其他各种数据进行一些处理. 2.由于不容易受通信线路的噪声和失真的影响, 所以可以实现误码率低,可靠性高的通信. 3.为通信信号的复用提供了便利,可以提高 121 侦察探索邓宗权,邱立欣传统求肯t*,lJ数5求—笔在道小的舡" 效率. 4.由于可以利用数字信号处理器等各种数字技 术成果,所以可构成具有柔软性的系统. 5.通过对数字信号进行各种处理,使通信具有保 密性. 三,实验 (一)实验目的 传递语音信号的通道,如传统录音机和数码录 音笔等,由于各自的频率响应性能不同,对信号施加 的影响也就不同.而案件语音的样本和检材往往来 自不同的信号通道,例如样本和检材分别用传统录 音机和数码录音笔来采制和录制.检材和样本来自 不同信号通道是造成鉴别困难的主要原因.为了提 高司法语音鉴定的精度和可信度,对于信号通道对 话者语音的改变以及这种变化对识别的影响等问 题,应该进行系统的实验研究. (二)实验材料 1.发音人 共5名,男性,是中国刑警学院大学四的学 生,普通话很好,无明显言语障碍,发音清晰. 2.语料 选取有代表性的五个单元音作为发音语料.具 体如下: i,a,U,e,ij, 3.录音方法 以话者正常发音为基准,研究传统录音机和数 字录音笔两种信道语音的差异.首先选择一个相对 安静无杂音的地方为录音地点.让每个话者在熟悉 语料的基础上按照语料正常发音,同时使用传统录 音机和数码录音笔同时录音. (三)实验方法 对所录制的语音输入计算机,然后利用Praat语 音分析软件作出宽带图谱进行形态分析和数值比 较.在视觉和听觉检验的基础上,分别测出每个话者 各个音节的基频平均值,基频最大值,强度平均值, 强度最大值,音长和前四个共振峰的频率值,然后利 用SPSS统计分析软件进行统计处理. 四,实验结果 (一)基频 首先提取了两种信道下l0个音节的基频均值, 基频最大值和基频最小值.由于篇幅所限,我们仅列 出其中一个话者5个单元音的基频数据,详见表 4.1.1. 122 表4.1.1录音机和录音笔两种信道语音的基频(Hz) 音素信道基频平均值基频最大值基频最小值 录音机175.8191.7164.1 l录音笔176.4J82.964.5 录音机】59.2】63.5】56.2 a录音笔157.2164.555.5 录音机169.1174.659.9 U录音笔167.8176.857.8 录音机170.9176.363.0 e录音笔169.7173.464.3 录音机172,018O()60.()n 录音笔171.5J85.3I588 统计数据表明:两种信道语音的基频值大体槲 当,基频最大值和最小值卜的差异臻比均伉大一些. 但是,总的说来,两种信道语背的基频差异不大.为 了深入比较二者的差异,我们利用SPSS软件对两种 信道20个音节的语音基频均值,荩频最大伉和基频 最小值进行了单因素方差分析(aNOVa). 统计结果表明:两种信道语音,无论是基烦均 值,最大值还是最小值,它们的检验概率P仃f都远远 大于检验水准0.05.因此,两种信道下语音的荩频 异不显着,即信道改变不会引起语音荩频的慢莆政 变.图4.1举例说明了两种不同信道的i,I1的频曲 线形态的细微差异.其中,实线代表录音机信道,虚 线代表录音笔信道. 1500-?0一 蚴……-…一-…… 300…………一?- 2?……………-..-- ~100~一一一一?一+-一...一--.一 O? lll 图4.1在录音机和录音笔信道下的基频图谱 (二)强度 对两种信道10个音节姒度的平均值和姒度 大值我们也进行了统计测量,其中5个单元音音节 的数据详见表4.2.1. 表4.2.1录音机和录音笔两种信道语音的强度(m3) 音素信道强度平均位强度最大俯 录音机92893.2 l录音笔69I4731 录音机90.291】 a录音笔65.1675 录音机91.892.7 U录音笔67.170.6 录音机92.5935 e录音笔68.472.3 录音机91.993.(1 n录音笔66.7703