ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΗΧΟΥ

ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΗΧΟΥΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΗΧΟΥΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗΣΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗΣ

ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ ΚΒΑΝΤΙΣΜΟΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ

ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣ

1. Δειγματοληψία

Η μετατροπή ενός συνεχούς σήματος Sc(t) σε σήμα διακριτού χρόνου Sd(n)

Sd(n) = Sc(nTs) fs=1/Ts (sampling frequency) 44.100

22.050

11.025…

Sample rate (Hz)

ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΥ ΣΗΜΑΤΟΣΗ διαδικασία μετατροπής ενός συνεχούς αναλογικού ηχητικού σήματος σε έναν κώδικα ψηφίων

(digitzation)


Μεταβολές πυκνότητας

Μεταβολές ηλ. τάσης

Μετατροπή μεταβολών σε κώδικα ψηφίων

δειγματοληψία

κβαντισμός

κωδικοποίηη

Ηχοπαραγωγό στοιχείο

μικρόφωνο ADC


Μεταβολές πίεσης Μεταβολές τάσης Ψηφιακή πληροφορία

0 0 0 0 1 1 0 0

0 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 1 1 1 00

0 1 0 0 1 1 0 0

bit

byte

word


0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 …Bit

Byte

word



Α: χαμηλό sample rate

B: ικανοποιητικό sample rate



- Πιστότερη απόδοση

- Μεγάλος όγκος πληροφορίας



Θεώρημα Nyquist:

‘Ο ρυθμός δειγματοληψίας (Fs = sample rate) ενός σήματος θα πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσιος από την ψηλότερη αρμονική συνιστώσα που περιέχεται στο σήμα (Fmax)’

Fs>2Fmax

CD Quality: Fs=2Fn (22050Hz: cutoff frequency) 44100Hz

Τηλέφωνο: Fs>2Fn (3300Hz >> >> ) 8000Hz



Aliasing: fs < 2fn Αλληλοκάλυψη συχνοτήτων, παραμόρφωση

Anti-alias filter: αφαίρεση συχνοτήτων μεγαλύτερων από fs/2


2. Kβαντισμός: η μετατροπή συνεχών τιμών πλάτους σε διακριτές τιμές πλάτους (στάθμες)

S(n)=Q(Sd(n))Αριθμός σταθμών / αριθμός διαθέσιμων bits



Ν=αριθμός διαθέσιμων bits 2Ν=διαθέσιμα επίπεδα κβαντισμού

1 bit: 0,1

Τάξη κβαντιστή 2 bit: 00, 01, 10, 11

…

Χαρακτηριστικές τιμές: 8bit (256 στάθμες), 16 bit (65536 στάθμες), 24bit …

‘Στρογγυλοποίηση’ –

Σφάλμα κβαντισμού

Απόσταση σταθμών –

Βήμα κβαντισμού (Δ)

(LSB)



Μετατροπή με 2bit ADC

Δ=1V

Output: 22=4 στάθμες

Τιμή σήματος εξόδου σφάλμα κβαντισμού Db / Noise

S(n)=Sd(n)+e(n) Sd(n) – Sd(n-1)>ΔΕπιθυμητή συνθήκη κβαντισμού: οι τιμές των σημάτων εισόδου πρέπει να είναι αρκετά μεγαλύτερες από την τιμή του βήματος κβαντισμού



SNR σηματοθορυβικός λόγος =

το πηλίκο της ισχύος του σήματος ως προς την ισχύ του θορύβου (dB).

SNR= Signal to Noise Ratio = 20log10(2N)

90 Db = η διαφορά θορύβου / σήματος στα περισσότερα συστήματα


TEXNIKEΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΚΒΑΝΤΙΚΟΥ ΘΟΡΥΒΟΥ

1. Αύξηση της τάξης κβαντιστή (N)

2. Προσθήκη θορύβου dither με πλάτος μεγαλύτερο από το βήμα κβαντισμού Δ

3. Noise Shaping

4. ΥΠΕΡΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑ



1. Αύξηση της τάξης κβαντιστή (N) (ΘΕΤΙΚΑ)

Περισσότερες στάθμες / μεγαλύτερο επίπεδο κβαντισμού

Μεγαλύτερη ακρίβεια απεικόνισης

Μικρότερο σφάλμα κβαντισμού

Μεγαλύτερο δυναμικό εύρος

Περισσότερες δυνατότητες περαιτέρω επεξεργασίας

(ΑΡΝΗΤΙΚΑ)

Μεγαλύτερος όγκος πληροφορίας (περισσότερα bits)

Μεγάλες απαιτήσεις ως προς το χώρο αποθήκευσης

Μεγαλύτερος χρόνος επεξεργασίας

Καθυστέρηση μετάδοσης




• Δίνει χαρακτηριστικά λευκού θορύβου στο σφάλμα κβαντισμού και το καθιστά ανεξάρτητο από το ηχητικό σήμα

• Αφαιρεί τις αρμονικές παραμρφώσεις στα σήματα μικρού πλάτους

• Αυξάνει τη δυναμική περιοχή του κβαντιστή




• Δίνει χαρακτηριστικά λευκού θορύβου στο σφάλμα κβαντισμού και το καθιστά ανεξάρτητο από το ηχητικό σήμα

• Αφαιρεί τις αρμονικές παραμρφώσεις στα σήματα μικρού πλάτους

• Αυξάνει τη δυναμική περιοχή του κβαντιστή

Η ακουστότητα του θορύβου αυξάνεται με τη συχνότητα (γίνεται περισσότερο αντιληπτός μεταξύ 3-5 ΚΗz).



3. Noise Shaping

= μετάθεση θορύβου σε υψηλότερες περιοχές του ηχητικού φάσματος

Λειτουργία: το σήμα ανατροφοδοτείται με αρνητική ανάδραση. Το ανατροφοδοτούμενο σήμα αφαιρείται από το σήμα εισόδου και αυτό που απομένει είναι η διαφορά τους, δηλαδή το σφάλμα κβαντισμού e(n)

Βελτίωση 16 Db

/ συνδυασμός με Dither



4. Yπερδειγματοληψία

= η δειγματοληψία με συχνότητα πολλαπλάσια της ζητούμενης συχνότητας (fs 2fs, 3fs)

48Khz 96Khz (2fs) ή 192Khz(4fs)



4. Yπερδειγματοληψία

= η δειγματοληψία με συχνότητα πολλαπλάσια της ζητούμενης συχνότητας (fs 2fs, 3fs)

48Khz 96Khz (2fs) ή 192Khz(4fs)

Eλάττωση κβαντικού θορύβου (περισσότερες τιμές δειγμάτων)

Δυνατότητα ελάττωσης του αριθμού των bits (N)


ΣΧΕΣΗ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ - ΚΒΑΝΤΙΣΜΟΥ



ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗΣ



ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΡΧΕΙΟΥ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ

ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ


Επιθυμητός συνδυασμός

Υψηλή ποιότητα πληροφορίας (μεγάλος αριθμός δειγμάτων /τάξη κβαντιστή)

Μικρό μέγεθος αρχείου (μικρό μέγεθος δείγματος)




8 bit

16 bit

24 bit

32 bit

44.100 Hz / 16 bit: CD Quality

96, 000 Hz / 24 bit: DVD, (εφαρμογές επαγγελματικής επεξεργασίας ήχου)



ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑ ΑΡΧΕΙΟΥ




Χωρητικότητα (bytes) =8 (bits) (μέγεθος byte)

συχνότητα (Hz) x μέγεθος δείγματος (bits) x διάρκεια (sec) x αρ.καναλιών






Ήχος CD (1 sec)






Ήχος CD (1 sec)

44100(Hz) x 16(bits) x 1(sec) x 2(κανάλια) = 1,411,200 (bits) / 8 (bits) = 176,400 bytes


3. Kωδικοποίηση: α) η αντιστοίχιση των κωδικών που προκύπτουν από τον κβαντισμό στα δείγματα

β) η δημιουργία σειράς ψηφίων

0011011001011001110111101011...

(ψηφιακή πληροφορία)

αποθήκευσημετάδοση

αποκωδικοποίηση - παρεμβολή(decoding) (interpolation)


3. Kωδικοποίηση: α) η αντιστοίχιση των κωδικών που προκύπτουν από τον κβαντισμό στα δείγματα

β) η δημιουργία σειράς ψηφίων

Oρισμοί:

Κωδικοποίηση: η διαδικασία μετατροπής ενός αναλογικού ηχητικού σήματος σε μία σειρά ψηφίων

Αποκωδικοποίηση: (αντίστροφη διαδικασία) η διαδικασία μετατροπής της ψηφιακά κωδικοποιημένης ηχητικής πληροφορίας σε αναλογικό ηχητικό σήμα

Αποκωδικοποίηση (decoding)

Interpolation:

Δημουργία νέων δειγμάτων μεταξύ αυτών που ήδη υπάρχουν με βάση κάποιο αλγόριθμο

Bασικές μέθοδοι κωδικοποίησης

PCM (Pulse Code Modulation): Παλμοκωδική κωδικοποίηση. Ξεχωριστή αποθήκευση δειγμάτων, γραμμική διαμόρφωση.

Mu-Law / A-Law PCM: Λογαριθμική κωδικοποίηση. Αντιστοίχιση περισσότερων σταθμών στις χαμηλές συχνότητες

DPCM (Differential Pulse Code Modulation): Διαφορική παλμοκωδική κωδικοποίηση. Κωδικοποίηση δείγματος σε σχέση με τα προηγούμενα (πλήρης αποθήκευση 1ου δείγματος, αποθήκευση διαφορών για τα επόμενα δείγματα).

Διαμόρφωση Δέλτα (Delta Modulation): 1bit 1= μεγαλύτερο εύρος, 0=μικρότερο εύρος

ADPCM (Adaptive Differential ulse Code Modulation): Προσαρμοζόμενη διαφορική παλμοκωδική κωδικοποίηση. Πρόβλεψη τιμών υπολογισμός διαφοράς μεταξύ πραγματικών - προβλεπόμενων τιμών.

LPC (Linear Predictive Coding): Γραμμική προβλεπόμενη κωδικοποίηση. Σύγκριση χαρακτηριστικών του σήματος με ένα αποθηκευμένο αναλυτικό μοντέλο μετάδοση των χαρακτηριστικών που συμπίπτουν με τα χαρακτηριστικά του μοντέλου. (εφαρμογή σε τηλεπικοινωνίες, συμπίεση ομιλίας)

Ρυθμος μετάδοσης (bit rate)


= εκφράζει την ταχύτητα δημιουργίας και μετάδοσης ψηφιακών δεδομένων σε μία συγκεκριμένη μονάδα χρόνου κατα την παραγωγή / αναπαραγωγή / μετάδοση ενός παλμοκωδικού σήματος



= μετριέται σε bits/sec




= προκύπτει από το γινόμενο της συχνότητας δειγματοληψίας x μέγεθος δείγματος (bits ανά δείγμα) ( σχέση δειγματοληψίας – κβαντισμού)

I=FsN (stereo signals: I=2FsN)

Πχ. Fs=8000 (δείγματα ανα δευτερόλεπτο)

N=8 bits

I= 64kbps




= προκύπτει από το γινόμενο της συχνότητας δειγματοληψίας x μέγεθος δείγματος (bits ανά δείγμα) ( σχέση δειγματοληψίας – κβαντισμού)

I=FsN (stereo signals: I=2FsN)

Πχ. CD Stereo 1,44Mbps

ΨΗΦΙΟΠΟΙΗΣΗ ΗΧΟΥ – ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ:


Sd(n) = Sc(nTs)

Παραγωγή δειγμάτων (samples), διαμόρφωση παλμού (PAM=Pulse Amplitude Modulation)

fs=1/Ts (sampling frequency – sample rate)

fs=2fn (συχνότητα Nyquist)

2 Κβαντισμός

S(n)=Q(Sd(n)), S(n)=Sd(n)+e(n)

Μετατροπή συνεχών τιμών πλάτους σε διακριτές

Ν=τάξη κβαντιστή / μεγεθος δείγματος

2Ν=επίπεδο κβαντισμού / αριθμός διαθέσιμων bits

Βήμα κβαντισμού (Δ)

Σφάλμα κβαντισμού

3. Κωδικοποίηση

Αντιστοίχιση κωδικών κβαντισμού στα δείγματα, δημιουργία σειράς ψηφίων / ψηφιακής πληροφορίας (δυαδικός κώδικας)

Αποκωδικοποίηση (decoding) / Διαδικασία παρεμβολής (interpolation)

Bit Rate (ρυθμός μετάδοσης δεδομένων)= FxM (sampling freq x sample size)

ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΗΧΟΥ

Documents

Transcript of ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΗΧΟΥ