reducerea zgomotului la redare (i)hermes.etc.upt.ro/docs/aniv/prelucrare_sunet.pdfpas cod tensiune...
TRANSCRIPT
1
Reducerea zgomotului la redare (I)Reducerea zgomotului la redare (I)
Zgomot = semnal de nivel scăzut şi cu frecvenţămedie spre înaltă
→ un astfel de semnal poate fi identificat şi rejectat (poartă de zgomot)
Exemplu: limitatorul dinamic de zgomot de la Philips DNL (Dynamic Noise Limiter)
IN: semnal cu zgomotOUT: semnal cu un RSZ îmbunătăţit cu 8 dB
inversor180°
FTS4 kHz
amplificatorlimitator
cale directă
comutatorcontrolat
Σ
IN
OUT
2
Reducerea zgomotului la redare (II)Reducerea zgomotului la redare (II)
Avantaj: compatibil cu orice sistem de înregistrare pe orice sistem de redare
Dezavantaj: nu poate face diferenţa între zgomot şi semnalul real
3
Sisteme de Sisteme de îînregistrare nregistrare şşi de i de reducere a zgomotului la redare (I)reducere a zgomotului la redare (I)
Sistemele realizează:procesarea semnalului înainte de înregistrareprocesarea inversă după redare
Înregistrare normală Redare normalăZgomot de înregistrare
nivele diferite
frecvenţe diferite
RSZ diferit
4
Sisteme de Sisteme de îînregistrare nregistrare şşi de i de reducere a zgomotului la redare (II)reducere a zgomotului la redare (II)
Avantaj: semnalul real nu este alterat şi este obţinut cu un RSZ ridicatDezavantaj: funcţionează doar pe acelaşi sistem (înregistrare şi redare)
amplificator selectiv şi neliniar
Pre-procesare Post-procesare
RSZ îmbunătăţit
5
Sistemul Dolby (I)Sistemul Dolby (I)
Zgomot:înaltă frecvenţă (1 ÷ 15 kHz)nivel scăzut (-20 ÷ -40 dB)
Circuite Dolby:în timpul înregistrării amplifică neliniar şi selectivrealizează procesarea inversă la redarea semnalului
măreşte RSZ cu 9 dB
200 2k 20k
f[kHz]
nivel[dB]
-30
-20
-10
0
20
6
Sistemul Dolby (II)Sistemul Dolby (II)
cale directă
adăugare Dolby
ΣΣ cale directă
scădere Dolby
ΣΣA+D
înregistrareA+D A
-DD
AA
7
Parametrii pentru discretizarea Parametrii pentru discretizarea sunetului (I)sunetului (I)
Frecvenţa de eşantionaref [kHz] Aplicaţie
8 telefonie, G711
11,025 1/4 f din CD
16 telefonie, G712
18,9 CD ROM/XA, CD-I
22,05 1/2 f din CD
32 NICAM, DAT LP
37,8 CD ROM/XA, CD-I
44,1 CD
48 DAT
88,2; 96 DAT non-standard
8
Parametrii pentru discretizarea Parametrii pentru discretizarea sunetului (II)sunetului (II)
Biţi de cuantizare
n biţiGama dinamică
[dB]Aplicaţie
8 44
92
116
140
plăci de sunet vechi
16 CD şi DAT
20 aplicaţii şi mastering profesionale
24
rezoluţie maximă pentru sisteme digitale
gama dinamică mai mare decât gama urechii umane
9
Debite la Debite la îînregistrarea audio digitală nregistrarea audio digitală (I)(I)
f[kHz]n
biţikB/s
Observaţii
S 172 Înregistrare la calitate CD – standard de calitate audio
M 86 Compromis bun pentru înregistrări de calitate ridicată a surselor mono (voce)
S 86 Calitate maximă pe dispozitive “low-end”(majoritatea plăcilor de sunet pentru PC)
M 43 Compromis adecvat înregistrării unei surse mono
S 86 Sunet mai degradat decât calitatea CD, dar întreg şi “prezent”
M 43 Nu este o alegere rea pentru voce (recomandabil însă cu 8 biţi)
S 43 Alegere uzuală pentru înregistrări stereo rezonabile
M 22 Un sunet mai slab, dar utilizabil8
16
22.05
8
16
44.1
10
Debite la Debite la îînregistrarea audio digitală nregistrarea audio digitală (II)(II)
f[kHz] n biţi kB/s Observaţii
S 22La această rată de eşantionare scazutăsunt puţine avantaje pentru a utiliza înregistrarea stereo
M 11 Limita inferioară pentru rezultate utilizabile
S 16 Ineficient pentru stereo
M 8 Similar unei legături telefonice bune
5.5 8 M 5 La fel de bun ca o legătură telefonicăproastă
8 8
11 8
11
Tehnici de cuantizare a semnalului Tehnici de cuantizare a semnalului (I)(I)
Mărimea trepteiuniformă (fixă)neuniformă şi fixăneuniformă şi adaptivă
Valoarea codată amplitudinea eşantionuluidiferenţa dintre eşantioane
Valori continue Valori discrete19 V 4.75 V 1111 0011
12
Tehnici de cuantizare a semnalului Tehnici de cuantizare a semnalului (II)(II)
Cuantizare Amplitudine Diferenţă
Uniformă PCM Delta
Fixă PCM legea A DPCM
Adaptivă APCM ADPCM
Tehnici folositePCM
uniformă amplitudine
Deltauniformă diferenţă
Legile A şi µneuniformă şi fixă amplitudine
ADPCMNeuniformă adaptivă diferenţă
13
Cuantizare uniformăCuantizare uniformăÎn cuantizarea uniformă:
nivele de decizie (intrare analogică) – uniformenivele de cuantizare (ieşire digitală) – uniformetrepte de cuantizare (q) –constante
pentru semnal de nivel mic
pentru semnal de nivel marezgomot de cuantizare (eroare): -q/2 ÷ q/2
Rezultat:semnal de nivel mic cu eroare de cuantizare constantă → RSZ scăzut
semnal de nivel mare cu eroare de cuantizare constantă → RSZ ridicat
Concluzie: per ansamblu → RSZ (calitate) scăzut
ieşire digitală
intrare analogică
zgomot de cuantizare
q/2
-q/2
14
CAN cu aproximari succesive (I)CAN cu aproximari succesive (I)
Comparator
+
-
registru cu
aproximări succesive
CNA
intrare analogică
tensiune de referinţă
UCNA
Uxieşire digitală
(b1 b2 b3 b4 b5 ...)
15
CAN cu aproximari succesive (II)CAN cu aproximari succesive (II)
PAS 3: b1b210.0000UCNA = b1× UMAX/2 + b2× UMAX/4 + UMAX/8decizie: b3
b1=1 b2=0 b3=1 b4=1 b5=1 t
UMAX
UXUMAX/2
UMAX/4
UMAX/8
PAS 1: 1000.0000UCNA = UMAX/2decizie: b1
PAS 2: b1100.0000UCNA = b1× UMAX/2 + UMAX/4decizie: b2
16
Problemă Problemă –– conversie analog conversie analog--numerică numerică liniarăliniară
Un CAN de 8 biţi, cu domeniul -10 V ÷ 10 V, cuantizează un eşantion de tensiune cu valoarea Ux = 3,14V. Analizaţi paşii aproximării succesive, completând tabelul.
Rezultat: .............. Tensiune echivalentă: ..... V Eroare: ..... %
PAS COD TENSIUNE CAN [V] COMPARATOR DECIZIE
17
SoluSoluţţie ie –– conversie analog conversie analog--numerică numerică liniarăliniară
Un CAN de 8 biţi, cu domeniul -10 V ÷ 10 V, cuantizează un eşantion de tensiune cu valoarea Ux = 3,14V. Analizaţi paşii aproximării succesive, completând tabelul.
Rezultat: Ux = 1010 1000 Tensiune echivalentă: 3,125 V Eroare: 0,075 %
PAS COD TENSIUNE CAN [V] COMPARATOR DECIZIE
1 1000 0000 0 1 b1 = 1
2 1100 0000 5 0 b2 = 0
3 1010 0000 2,5 1 b3 = 1
4 1011 0000 3,75 0 b4 = 0
5 1010 1000 3,125 1 b5 = 1
6 1010 1100 3,437 0 b6 = 0
7 1010 1010 3,218 0 b7 = 0
8 1010 1001 3,203 0 b8 = 0
18
Cuantizare neuniformăCuantizare neuniformă
În cuantizarea neuniformă:nivele de decizie (intrare analogică) – neuniformenivele de cuantizare (ieşire digitală) – neuniformetrepte de cuantizare diferite
mici pentru semnal de nivel mic
mari pentru semnal de nivel mare
zgomot de cuantizare (eroare): variabil
Rezultat:semnal de nivel mic cu eroare de cuantizare mică → RSZ maresemnal de nivel mare cu eroare de cuantizare mare → RSZ mare
Concluzie: per ansamblu → RSZ (calitate) ridicat
ieşire digitală
intrare analogică
zgomot de cuantizare
19
Compresie logaritmicăCompresie logaritmică
CUANTIZARE NELINIARĂ nivele de cuantizare
neliniare
utilizează puţini paşi numere mari pentru
codarea treptei
nu există compresiede date
CUANTIZARE COMPRIMATĂnivele de cuantizare
liniare
acelaşi număr mic de paşi
numere mici pentru codarea treptei
există compresie de date (renumerotarea treptelor)
ieşire digitală
intrare analogică
ieşire digitală comprimată
intrare analogică
LINIAR
LOGARITMIC
20
Compandare legea A (I)Compandare legea A (I)
Ux – tensiune analogicăY – valoare digitală
comprimată
Uz – semnal analogic refăcut
Y = s l1 l2 l3 v1 v2 v3 v4
S – semnul semnaluluil1 l2 l3 – numărul segmentului
v1 v2 v3 v4 – numărul treptei
Y
Ux Y
UZ ≈ Ux
COMPRESIE + EXPANDARE = COMPANDARE
21
Compandare legea A (II)Compandare legea A (II)
nivel micrezoluţie: 12 biţi
(zgomot redus)
nivel marerezoluţie: 6 biţi
(zgomot ridicat)
RSZ mare de valoare constantă
compresia datelor 12 → 8 biţi
3 l biţi8 segmente
(cuantizare neuniformă)
4 v biţi16 trepte /
segment (cuantizare uniformă)
22
Forma digitală a legii de compresie AForma digitală a legii de compresie A
Compresia rezultăfolosind:
nivele de decizie neuniforme (intrare)
nivele de cuantizare uniforme (ieşire)
2-52-62-712-12-22-32-4
7
6
5
4
3
2
1
0
1
7/8
6/8
5/8
1/2
3/8
2/8
1/8
0
Ieşire digitală
Intrare analogică 0
1
2
23
Problemă Problemă –– conversie analog conversie analog--numerică numerică după legea Adupă legea A
Un CAN cu compresie 12 → 8 biţi (conform legii A) cu domeniul -10 V ÷ 10 V, cuantizează un eşantion de tensiune cu valoarea Ux = 3,14V. Analizaţi paşii aproximării succesive, completând tabelul.
Rezultat: .............. Tensiune echivalentă: ..... V
PAS COD TENSIUNE CAN [V] COMPARATOR DECIZIE
24
SoluSoluţţie ie –– conversie analog conversie analog--numerică numerică după legea Adupă legea A
Un CAN cu compresie 12 → 8 biţi (conform legii A) cu domeniul -10 V ÷ 10 V, cuantizează un eşantion de tensiune cu valoarea Ux = 3,14V. Analizaţi paşii aproximării succesive, completând tabelul.
Rezultat: Ux = 1110 0100 Tensiune echivalentă: 3,125 V
PAS COD TENSIUNE CAN [V] COMPARATOR DECIZIE
1 1000 0000 0 1 b1 = 1
2 1100 0000 0,625 1 b2 = 1
3 1110 0000 2,5 1 b3 = 1
4 1111 0000 5 0 b4 = 0
5 1110 1000 3,75 0 b5 = 0
6 1110 0100 3,125 1 b6 = 1
7 1110 0110 3,437 0 b7 = 0
8 1110 0101 3,281 0 b8 = 0
25
ModulaModulaţţia delta (I)ia delta (I)
Intrareanalogică
(Ux)
Aproximarea delta (UCNA)
Ieşire digitală11111000000010...
TS
26
ModulaModulaţţia delta (II)ia delta (II)
Avantajdebit minim
1 bit / eşantionDezavantaj
erori mari de urmărire
Comparator
+
-Numărător
CNAUCNA
Ux
SUS
JOS
Ieşire fs = 1/Ts
Soluţiefrecvenţa de
esantionare ridicatăRezultat
debit mare
27
Compresia audio (I)Compresia audio (I)
Semnalele audio sunt dificil de comprimat, dar există tehnici dezvoltate
cu reducerea redundanţei datelor pe cale matematicămodelare complexă a auzului uman
decompanii telefonice – calitate telefonicăproducători de echipamente de înregistrare –calitate ridicată
28
Compresia audio (II)Compresia audio (II)
Tehnici uzuale:CCITT G.711 legea A, legea µ (PCM, compresie 12 →8 biţi, telefonie)CCITT G.723 legea A, legea µ (ADPCM, compresie 12 → 4 biţi, ISDN)GSM 6.10 Audio (Groupe Special Mobile – debite de compresie ridicate pentru calitate vocală)Codare cu predicţie liniară (descrierea vocii pentru sintetizarea vorbirii)IMA ADPCM (Interactive Multimedia AssociationADPCM)MicroSoft ADPCM (PCM adaptiv şi diferenţial)Truespeech (produs de DSP Inc. pentru compresia vocii)
29
InterfaInterfaţţa digitală a instrumentelor a digitală a instrumentelor muzicale (I)muzicale (I)
MIDI a fost introdus la începutul anilor ’80 drept un standard internaţional pentru muzica digitală:
conexiune electrică şi cablareprotocol serial de comunicare (calculatoare, instrumente şi echipamente electronice pot lucra împreună)formatul fişierelor
30
InterfaInterfaţţa digitală a instrumentelor a digitală a instrumentelor muzicale (II)muzicale (II)
Avantajefurnizează o metodă standard pentru controlul instrumentelor muzicale compatibile MIDIpermite controlul centralizat al mai multor instrumente MIDI, un singur muzician poate cânta la orgă şi în acelasi timp să utilizeze alt instrumentfişierele MIDI sunt foarte mici, de exemplu un fişier MIDI de 8 k poate conţine aceeaşi piesă de 2 minute ca un fişier wave de 1,5 MB (8 biţi, 11 kHz)fişierele MIDI sunt mai uşor de utilizat şi pot fi încărcate a priori în memoriecalitatea audio este păstrată deoarece nu există nici o pierdere a calităţii sunetului între paşii necesari convertirii fişierelor MIDI în audio
32
InterfaInterfaţţa MIDI (II)a MIDI (II)
Interfaţa digitală a instrumentelor muzicale
• interfaţă serială, asincronă, digitală cu 31 250 biţi/s
Controlul datelor
Sunet sintetizat
33
Standardul MIDI general (I)Standardul MIDI general (I)
Pentru a prelucra fişiere MIDIsoftware de ordonare (Midisoft Studio pentru Windows)sintetizator de sunet (pe placa de sunet a PC-ului)claviatură MIDI (opţional)
Redarea se realizează cuformule matematice (sinteze FM)înregistrări digitale scurte ale instrumentelor propriu-zise (redare eşantion)
34
Standardul MIDI general (II)Standardul MIDI general (II)
Standardul MIDI generalprogramul standardizat modifică sistemul de reprezentare şi setul standard de sunete:
128 sunete de orchestră, sunete de la sintetizator şi efecte speciale
asigură o polifonie minimă şi satisface necesităţile canalului
24 note simultan şi mesaje MIDI simultan pe 16 canale
“standardized percussion&instrument channel assignments and patch mapping”
12 canale pentru părţile melodice, 2 pentru părţile de percuţie şi 2 neutilizate
35
InterfaInterfaţţa multicanal MIDIa multicanal MIDI
interfaţă de mare viteză
expandor multi-timbru
expandor multi-timbru
expandor multi-timbru
tobă electronică
generator de efecte speciale
matrice de distribuţie
mixer automat
claviatură principală
interfaţă MIDI
multiport
36
Formate de fiFormate de fişşiere audio (I) iere audio (I)
Formatul fişierelor
Avantaje Dezavantaje
WAVE
redare fiabilă, preferată la sunetele multimediasuport software bun
pe PC
cea mai mare calitate audio
fişiere mari pentru calitate ridicatăsupraîncarcare
ridicată a procesoruluiimposibilă manipularea
detaliilor unei compoziţii
37
Formate de fiFormate de fişşiere audio (II)iere audio (II)
Formatul fişierelor
Avantaje Dezavantaje
MIDI
dimensiune compactă a fişierului, indiferent de calitatea redării (200 ÷ 1000 de ori mai mică)
supraîncarcare scazută a procesorului poate suna mai bine
dacă se utilizează sunete MIDI de înaltă calitatemanipularea tuturor
detaliilor (notă)abilitatea de a scala
timpul (tempo) fără a modifica frecvenţa
redare nefiabilă, cu excepţia zonelor controlate
mai dificil de lucratnecesită
cunoştinţe muzicalenu poate produce
vorbire
38
Audio MPEG3 (I)Audio MPEG3 (I)
Standard de codare pentru compresia fişierelor audio, cunoscut sub o mulţime de nume: MPEG3, MPEG Layer 3, MPEG Audio, MP3
Înregistrare calitate CD• fs = 44.1 kHz• n = 16 biţi, stereo1 cântec ≈ 50 MB
Înregistrare MP3• compresie• calitate CD1 cântec ≈ 4 ÷ 5 MB
MP312 : 1
39
Audio MPEG3 (II)Audio MPEG3 (II)
Există două tipuri de fişiere MPEG3 (în funcţie de extensie):
mp3 pentru a fi descărcate (sau extrase de pe HDD) şi redate
m3upot fi redate imediat ce datele au fost recepţionate, fără a mai fi nevoie de restul fişierului
Orice fişiere MPEG3 pot fi redate în mod cursiv
Codoare şi decodoare MPEG3disponibile pentru o diversitate de platforme: PC-uri, staţii SUN, Linux, MACatât codarea cât şi decodarea utilizează o mare cantitate din resursele maşinii