Uvod u digitalni audio Multimedijalni signali i sistemi Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Banjoj Luci

Zvuk Šta je zvuk?

Zvuk Šta je zvuk? Kako nastaje zvuk? Zvuk je vremenski promjenljiva mehanička deformacija u elastičnoj sredini koja se kroz sredinu prostire kao mehanički talas Kako nastaje zvuk?

Zvuk Šta je zvuk? Kako nastaje zvuk? Kako se prostire zvuk? Zvuk je vremenski promjenljiva mehanička deformacija u elastičnoj sredini koja se kroz sredinu prostire kao mehanički talas Kako nastaje zvuk? Zvuk nastaje pri promjenama stacionarnog stanja čestica sredine Dolazi do promjena gustine sredine i vrijednosti pritiska Kako se prostire zvuk?

Zvuk Šta je zvuk? Kako nastaje zvuk? Kako se prostire zvuk? Zvuk je vremenski promjenljiva mehanička deformacija u elastičnoj sredini koja se kroz sredinu prostire kao mehanički talas Kako nastaje zvuk? Zvuk nastaje pri promjenama stacionarnog stanja čestica sredine Dolazi do promjena gustine sredine i vrijednosti pritiska Kako se prostire zvuk? Oscilacije čestica sredine (akustičke oscilacije) se šire u vidu (zvučnih) talasa od izvora (mjesta gdje je došlo do poremećaja stacionarnog stanja) Zvučni talasi su mehanički longitudinalni talasi koji mogu da se prostiru kroz sredine svih agregatnih stanja Stacionarno stanje je stanje mirovanja, ravnoteže.

Izvori zvuka Izvori generišu zvuk Primjeri Stvaraju promjenu stacionarnog stanja sredine Primjeri vibriranje žice instrumenta, vibriranje membrane bubnja, strujanje vazduha vibriranje membrane zvučnika

Prostiranje zvuka Mehanički longitudinalni talasi Refleksija (eho, reverberacije) Difrakcija (savijanje zvuka oko prepreke) Refrakcija (prelamanje zvučnih talasa) Apsorpcija (upijanje zvuka) Doplerov efekat (promjena visine tona zbog kretanja izvora/slušaoca) Interferencija (superpozicija zvučnih talasa) Stojeći talas (poništavanje ili pojačavanje talasa) sabijanje razrjeđivanje

Prijemnici zvuka Uho Mikrofon Reaguje na promjene vazdušnog pritiska Nije senzor energije signala Mikrofon Konverzija promjena vazdušnog pritiska u promjene električnog signala (napona, struje) Jedan kanal – mono signal Dva kanala – stereo signal Četiri kanala – kvadrofonija Pet (5.1) kanala – suraund

Zvučni signal Zvuk nosi informacije Govor i muzika Informacije o izvoru i prostiranju zvuka Zvučni signal – vrijednosti zvučnog pritiska

Objektivne karakteristike zvuka Osnovne fizičke karakteristike zvučnog talasa Mjerljive fizičke veličine Ne zavise od slušaoca

Objektivne karakteristike zvuka Osnovne fizičke karakteristike zvučnog talasa Mjerljive fizičke veličine Ne zavise od slušaoca Frekvencija Spektar Intenzitet Trajanje Anvelopa

Objektivne karakteristike zvuka Frekvencija zvuka Brzina oscilovanja čestica sredine kroz koju se zvuk prenosi Povezana sa talasnom dužinom zvuka Objekti veličine polovine talasne dužine mogu uticati na prostiranje zvučnog talasa Podjela zvukova prema frekvencijskom opsegu Infrazvuk: 0-20 Hz Zvuk iz čujnog opsega (audio): 20 Hz – 20 kHz Ultrazvuk: iznad 20 kHz Oktava – opseg između dvije frekvencije od kojih je jedna dva puta veća od druge Talasna dužina zvuka je udaljenost koju zvučni talas prelazi u jednom periodu. Brzina prostiranja zvuka u vazduhu je oko 340 m/s. Ton od 1 Hz ima talasnu dužinu od 340 m. Multimedijalni sistemi koriste zvukove iz opsega koji čovjek može da čuje. U daljnjem razmatranju ćemo zvukove iz tog opsega nazivati audio a odgovarajaće talasne oblike audio signalima.

Objektivne karakteristike zvuka Spektar zvuka Tonovi Kvaziperiodične promjene pritiska Čisti tonovi – sinusoidalne oscilacije Složeni tonovi – harmonijska veza između frekvencija komponenata Koriste se u muzici – muzički tonovi Šumovi Frekvencije komponenata nisu u harmonijskoj vezi Mogu da se koriste u muzici (udaraljke) Često neželjena pojava koja može da utiče na oštećenje sluha – buka

Decibeli

Decibeli Vrijednosti snage ili intenziteta je često pogodno izraziti relativno u odnosu na neku referentnu vrijednost Ukoliko veličina ima prirodu snage njena vrijednost u decibelima je P je vrijednost veličine koja se mjeri P0 je referentna vrijednost PdB je veličina izražena u dB, relativno u odnosu na P0 P i P0 moraju imati iste dimenzije Referentna vrijednost odgovara 0 dB

Šta se dobija korištenjem decibela? Logaritmovanjem se smanjuje dinamički opseg vrijednosti mjerene veličine Pogodno npr. kada se posmatra veliki opseg frekvencija ili vrijednosti pojačanja Ako je P veće od P0 onda je PdB pozitivno (porast snage) Ako je P manje od P0 onda je PdB pozitivno (smanjenje snage) Multiplikativna veza između veličina postaje aditivna Snaga je proporcionalna kvadratu vrijednosti fizičke veličine (npr. napona) pa je

Izbor referentne vrijednosti

Izbor referentne vrijednosti Referentna vrijednost se često bira kao prag ljudske percepcije Npr. ljudsko uho može da detektuje veliki opseg promjena zvučnog pritiska Odnos minimalnog (prag čujnosti) i maksimalnog (prag bola) zvučnog pritiska je reda veličine 106 Prag čujnosti odgovara 0dB, a prag bola 120dB

Objektivne karakteristike zvuka Intenzitet zvuka Zvuk se opaža kao varijacije pritiska Mjeri se zvučni pritisak (sound pressure level) Računa se relativno u odnosu na referentnu vrijednost od p0=20mPa i izražava u decibelima (dB SPL) Intenzitet zvučnog talasa Računa se relativno u odnosu na referentnu vrijednost I0=10-12W/m2 Referentne vrijednosti su izabrane tako da su vrijednosti Lp i Lw jednake Referentne vrijednosti predstavljaju prag čujnosti, tj. minimalnu vrijednost promjene pritiska koja se može registrovati, odnosno, minimalni intenzitet zvučnog talasa. Ponekad se nivo zvuka izražava nivoom intenziteta zvuka (sound intensity level) ili intenzitetom zvučnog talasa koji se definiše kao snaga zvuka (zvučnog talasa) po jedinici površine. Intenzitet zvuka se takođe računa u odnosu na referentnu vrijednost koja odgovara pragu percepcije prosječnog slušaoca i izražava se u decibelima.

Objektivne karakteristike zvuka Trajanje zvuka Vremenski interval u kojem postoje akustičke oscilacije Zavisi od trajanja deformacije i osobina sredine kroz koju se prostire

Objektivne karakteristike Anvelopa (obvojnica) zvuka Funkcija koja određuje kako se mijenja amplituda zvuka tokom vremena Često se koristi ADSR anvelopa Attack Decay Sustain Release ton.wav ton_anvelopa.wav

Percepcija zvuka Auditorni sistem detektuje promjene vazdušnog pritiska Percepcija zvuka sa određenim objektivnim karakteristikama je subjektivna – zavisi od slušaoca Subjektivne (psihoakustičke, perceptualne) karakteristike zvuka:

Percepcija zvuka Auditorni sistem detektuje promjene vazdušnog pritiska Percepcija zvuka sa određenim objektivnim karakteristikama je subjektivna – zavisi od slušaoca Subjektivne (psihoakustičke, perceptualne) karakteristike zvuka: Visina tona Boja zvuka Jačina zvuka

Percepcija zvuka Visina tona Perceptualna osobina tona koja omogućava uređenje muzičkih tonova na skali povezanoj sa frekvencijom Problem – zvukovi se sastoje od više komponenata Visine tonova se mogu označiti: slovima – Helmholtzova notacija (C, D, E, F, G, A, H) slovima i brojevima – naučna notacija (slovo i broj koji označava oktavu) brojevima koji predstavljaju frekvencije u Hz ili MIDI standard Oktava – interval visina tonova koji odgovara udvostručenju frekvencije

Visina tona Frekvencije tonova Jednako temperirana skala Oktava podijeljena na 12 dijelova Standardna visina A iznad srednjeg C ima frekvenciju od 440 Hz

Percepcija zvuka Boja tona (tembr) Boja tona je perceptualna osobina zvuka koja omogućava razlikovanje zvukova koji potiču iz različitih izvora, a imaju jednake visine i glasnoće Omogućava razlikovanje govornika, vrsta muzičkih instrumenata (duvački, gudački,...) Posljedica postojanja harmonijskih gornjih tonova Povezana sa spektrom zvučnog signala (objektivna karakteristika)

Percepcija zvuka Jačina zvuka Perceptualna karakteristika koja omogućava uređenje zvukova na skali od tihih do glasnih Zavisi od fizičkih, anatomskih, fizioloških i psiholoških faktora Psihoakustika

Nivo glasnoće tona Nivo glasnoće čistog tona (jedinica fon) opisuje subjektivni osjećaj jačine tona Nivo glasnoće tona od 1 kHz u fonima je jednak nivou zvučnog pritiska u dB Zavisnost nivoa glasnoće tona od frekvencije i nivoa zvučnog pritiska dat je familijom izofonskih krivih

Jačina složenog zvuka Subjektivni osjećaj jačine složenog zvuka – glasnoća (jedinica son) Glasnoća 1 son = nivo glasnoće 40 fona Udvostručavanje subjektivnog osjećaja jačine odgovara udvostručavanju vrijednosti u sonima Povećanje nivoa glasnoće od 10 fona Kompleksna pojava Ne odgovara linearnoj kombinaciji jačina pojedinih tonova Neophodno poređenje sa poznatom jačinom zvuka Postoje modeli subjektivne jačine zvuka

Digitalizacija zvuka

Digitalna multimedija Multimedija je danas uglavnom neodvojiva od računara Podaci u računarima su predstavljeni u digitalnom obliku Multimedijalni podaci su, dakle, u digitalnom obliku Neki mediji (tekst, grafika, animacije) mogu nastati u digitalnom obliku, dok drugi (zvuk, slika, video) postoje u analognom obliku i, da bi se njima moglo manipulisati pomoću računara, neophodno ih je konvertovati u digitalni oblik

Analogni i digitalni podaci

Signal Signal – fizička veličina koja je nosilac informacije Vrijednost vazdušnog pritiska (zvuk) Intenzitet svjetlosti (slika) Vrijednost napona/struje

Analogni signal Ako je signal kontinualan u vremenu/prostoru i uz to su njegove vrijednosti kontinualne govorimo o analognom signalu Dat je grafički prikaz analognog signala. Pošto se signal matematički može predstaviti kao funkcija, onda je grafički prikaz, u stvari, grafik te funkcije. Koristi se i termin talasni oblik signala iako nije neophodno da signal bude povezan sa nekom talasnom pojavom.

Digitalizacija Da bi se analogni podaci (signali) mogli obrađivati pomoću računara potrebno ih je prvo prebaciti u digitalni oblik Prebacivanje iz analognog u digitalni oblik je poznato pod nazivom digitalizacija ili analogno/digitalna (A/D) konverzija Digitalizacija signala obuhvata tri koraka:

Digitalizacija Da bi se analogni podaci (signali) mogli obrađivati pomoću računara potrebno ih je prvo prebaciti u digitalni oblik Prebacivanje iz analognog u digitalni oblik je poznato pod nazivom digitalizacija ili analogno/digitalna (A/D) konverzija Digitalizacija signala obuhvata tri koraka: Odmjeravanje (sampling) signala i Kvantizaciju (quantization) signala Kodovanje (coding) signala

Digitalizacija audio signala Zvučni pritisak – analogni signal Konverzija u električni signal – mikrofon A/D konverzija odmjeravanje kvantizacija kodovanje signala 0101000111000101101100

Odmjeravanje signala

Odmjeravanje signala Odmjeravanje (analognog) signala je registrovanje (mjerenje) vrijednosti signala u određenim trenucima (obično u pravilnim intervalima) Dakle, odmjeravanje je konverzija analognog signala u niz brojeva (diskretni signal) definisan samo u određenim (diskretnim) vremenskim trenucima, a njegova vrijednost može biti kontinualna Na tabli dati prikazati period odmjeravanja i dati osnovne jednačine. Pokazati primjer diskretizacije sinusoide.

Odmjeravanje signala Vrijednosti diskretnog signala se nazivaju odmjerci interval između odmjeraka se naziva period odmjeravanja. Broj odmjeraka u jednoj sekundi je brzina odmjeravanja i izražava se u Hercima (Hz) Na tabli dati prikazati period odmjeravanja i dati osnovne jednačine. Pokazati primjer diskretizacije sinusoide.

Diskretne sinusoide 1

Diskretne sinusoide 2

Ali...

Ali... ... kako znamo da ćemo na osnovu diskretne reprezentacije signala moći rekonstruisati analognu?

Ali... ... kako znamo da ćemo na osnovu diskretne reprezentacije signala moći rekonstruisati analognu? Na primjer, kako da izaberemo frekvenciju odmjeravanja sinusoide?

Šta ako promašimo? Šta se dešava ako ne izaberemo pravilnu frekvenciju odmjeravanja? Pri frekvenciji odmjeravanja od 10Hz sinusoida frekvencije 2Hz je alias sinusoide frekvencije 8Hz, odnosno, na osnovu odmjeraka nije moguće razlikovati ove dvije sinusoide.

Dobar primjer na neočekivanom mjestu http://www.youtube.com/watch?v=jHS9JGkEOmA Video se sastoji iz niza frejmova, slika. Svaki frejm se može smatrati odmjerkom scene u trenutku u kojem je snimljen. Brzim izmjenjivanjem frejmova stvara se utisak kontinuiranog pokreta. Kružno kretanje točka je slično sinusoidi, njegova brzina se može predstaviti brojem obrataja u jedinici vremena. U zavisnosti od odnosa brzine okretanja točka i brzine reprodukcije videa (frame rate) gledalac dobija utisak da je brzina okretanja drugačija od stvarne, pa čak i da točak stoji ili se okreće unazad.

Odmjeravanje okretanja točka 1 Ako je brzina okretanja točka takva da se on okrene za manje od pola kruga između dva frejma (brzina odmjeravanja više od dva puta veća od brzine okretanja) onda imamo utisak da se točak okreće pravom brzinom.

Odmjeravanje okretanja točka 2 Ako je brzina okretanja točka takva da se on okrene za više od pola kruga, ali manje od čitavog kruga između dva frejma (brzina odmjeravanja manja od dvostruke brzine okretanja, ali veća od brzine okretanja) onda imamo utisak da se točak okreće unazad.

Preklapanje spektra Ukoliko frekvencija odmjeravanja nije dobro izabrana dolazi do efekta koji se naziva preklapanje spektra (aliasing)

Odmjeravanje sinusoide Kako da izaberemo frekvenciju odmjeravanja sinusoide?

Odmjeravanje sinusoide Kako da izaberemo frekvenciju odmjeravanja sinusoide? Frekvencija odmjeravanja treba da bude bar dva puta veća od frekvencije sinusoide

Šta sa složenim signalima? Kako da izaberemo frekvenciju odmjeravanja?

Frekvencijska reprezentacija signala Ton A standardne visine ima fundamentalnu frekvenciju od 440 Hz Reprezentacija u vremenu Notni zapis

Frekvencijska reprezentacija signala Primjer: zvučni signal – muzika Ton A standardne visine ima fundamentalnu frekvenciju od 440 Hz Reprezentacija u vremenu Notni zapis Položaj note u linijskom sistemu ukazuje na njenu visinu – frekvenciju Notni zapis je frekvencijska reprezentacija signala

Frekvencijska reprezentacija signala (nastavak) Šta je sa složenijim tonovima, npr. akordima? DƄ: 554,40Hz F: 698,48Hz AƄ: 830,64Hz C: 1046,56Hz

Frekvencijska reprezentacija signala (nastavak) Jean-Baptiste Joseph Fourier Svaki periodičan signal se može predstaviti pomoću (beskonačne) sume sinusnih funkcija čije su frekvencije umnošci osnovne frekvencije – Furijeov red

Odmjeravanje složenih signala Svaki periodičan signal se može predstaviti pomoću (beskonačne) sume sinusnih funkcija čije su frekvencije umnošci osnovne frekvencije – Furijeov red Ni za jednu sinusnu komponentu ne smije doći do preklapanja spektra

Teorema o odmjeravanju Signal koji ne sadrži komponente frekvencije više od F, odmjeren brzinom FS koja je bar dva puta veća od F moguće je tačno rekonstruisati na osnovu njegovih odmjeraka Nikvistov kriterijum Harry Nyquist Claude Shannon Vladimir Kotelnikov

Analogno/digitalna konverzija Kako bi se izbjeglo preklapanje spektra, prije same analogno/digitalne konverzije potrebno je niskopropusnim filtrom ukloniti komponente ulaznog signala čija je frekvencija veća od polovine frekvencije odmjeravanja. Niskopropusno filtriranje je potrebno i kod promjene brzine odmjeravanja – npr. promjene veličine slike. Većina signala iz stvarnog svijeta nema ograničen spektar tako da uvijek prijeti opasnost od preklapanja spektra. Zbog toga se prije A/D konvertora stavlja niskopropusni filtar (anti-aliasing filtar) čiji je zadatak da oslabi harmonike na frekvencijama većim od polovine frekvencije odmjeravanja. Gubitak informacija zbog ovog filtriranja je relativno mali, pod uslovom da je frekvencija odmjeravanja dobro izabrana, zbog toga što energija realnih signala tipično opada sa porastom frekvencije. Postoje i ograničenja ljudske percepcije VF signala. Npr. ljudi čuju zvuk do približno 20 kHz tako da je frekvencija odmjeravanja od 44,1 kHz (CD kvalitet) sasvim dovoljna.

Šta ako promašimo frekvenciju odmjeravanja? Ako je frekvencija odmjeravanja nepravilno izabrana (ili predfiltar ne radi svoj posao ispravno) 5 kHz @ 44100 Hz 5 kHz @ 8000 Hz Aliasing može da se javi i prilikom promjene frekvencije odmjeravanja. Klavir sa aliasingom aliasing_piano.wav Audio: Dave Marshall & Kirill Sidorov

Uticaj odmjeravanja na količinu podataka i kvalitet signala Kako odmjeravanje utiče na količinu podataka? Viša frekvencija odmjeravanja rezultuje većim brojem odmjeraka u 1 s – veća količina podataka Kako odmjeravanje utiče na kvalitet signala? Prije odmjeravanja neophodno je upotrebiti predfiltar Ograničava se frekvencijski opseg signala

Uticaj odmjeravanja na količinu podataka i kvalitet signala Kako odmjeravanje utiče na količinu podataka?

Uticaj odmjeravanja na količinu podataka i kvalitet signala Kako odmjeravanje utiče na količinu podataka? Viša frekvencija odmjeravanja rezultuje većim brojem odmjeraka u 1 s – veća količina podataka

Uticaj odmjeravanja na količinu podataka i kvalitet signala Kako odmjeravanje utiče na količinu podataka? Viša frekvencija odmjeravanja rezultuje većim brojem odmjeraka u 1 s – veća količina podataka Kako odmjeravanje utiče na kvalitet signala?

Uticaj odmjeravanja na količinu podataka i kvalitet signala Kako odmjeravanje utiče na količinu podataka? Viša frekvencija odmjeravanja rezultuje većim brojem odmjeraka u 1 s – veća količina podataka Kako odmjeravanje utiče na kvalitet signala? Prije odmjeravanja neophodno je upotrebiti predfiltar Ograničava se frekvencijski opseg signala

Izbor frekvencije odmjeravanja Kako izabrati frekvenciju odmjeravanja audio signala? Koje faktore treba uzeti u obzir?

Izbor frekvencije odmjeravanja Kako izabrati frekvenciju odmjeravanja audio signala? Frekvencijski opseg audio signala: 20 Hz – 20 kHz Raspoloživa memorija/brzina komunikacione veze Koje faktore treba uzeti u obzir?

Izbor frekvencije odmjeravanja Kako izabrati frekvenciju odmjeravanja audio signala? Frekvencijski opseg audio signala: 20 Hz – 20 kHz Raspoloživa memorija/brzina komunikacione veze Zavisi od aplikacije Telefoni, bežični mikrofoni – 8 kHz G.722 VoIP – 16 kHz CD kvalitet, MP3 – 44,1 kHz Profesionalna audio oprema (npr. DAT) – 48 kHz DVD audio, Blu-ray – do 192 kHz U industriji se sve češće sreću visoke frekvencije odmjeravanja od, npr. 96 kHz ili 192 kHz. Međutim, laboratorijski eksperimenti nisu pokazali prednost po pitanju kvaliteta u odnosu na brzine odmjeravanja od 44,1 kHz ili 48 kHz. Pošto čovjek ne može da čuje ultrazvuk, instrumenti i ljudski glas ne generišu zvukove čije su frekvencije iznad 20 kHz, a frekvencijski opseg mikrofona takođe ne prelazi 20 kHz, sa perceptualnog stanovišta ne postoji razlog za korištenje vrlo visokih frekvencija odmjeravanja. Štaviše, previsoka frekvencija odmjeravanja, kao što je npr. 192 kHz može da rezultuje intermodulacionom distorzijom, odnosno pojavom signala unutar čujnog opsega čije frekvencije su zbir i razlika frekvencija signala iz ultrazvučnog opsega. Validan razlog za korištenje više frekvencije odmjeravanja je lakše projektovanje filtara u A/D i D/A konvertorima. Međutim, ovaj problem se danas rješava tako što konvertori interno koriste višu frekvenciju odmjeravanja, a na izlaz daju decimiran signal.

Primjeri Frekvencija odmjeravanja Audio fajl 44100 Hz handel44100.wav Primjeri signala odmjerenih različitim frekvencijama odmjeravanja. Nema preklapanja spektra. Opisati razlike između ovih signala.

Kvantizacija signala

Kvantizacija signala Kvantizacija signala je diskretizacija njegovih vrijednosti Vrijednosti koje kvantovani signal može poprimiti su nivoi kvantizacije Razmak između nivoa kvantizacije je korak kvantizacije (rezolucija) Broj nivoa kvantizacije zavisi od broja bita koji su na raspolaganju za kodovanje jednog odmjerka Npr. sa 8 bita se može predstaviti 28 = 256 nivoa Korak kvantizacije može biti fiksan (uniformna kvantizacija) ili promjenljiv (neuniformna kvantizacija) Kvantovani signal može imati vrijednosti samo iz konačnog skupa diskretnih vrijednosti. Vrijednosti signala (čak i nekvantovanog) su obično iz ograničenog skupa (određenog fizičkim zakonima) pa se može uspostaviti veza između broja nivoa kvantizacije i koraka kvantizacije.

Uticaj kvantizacije na količinu podataka i kvalitet signala Kako kvantizacija utiče na količinu podataka?

Uticaj kvantizacije na količinu podataka i kvalitet signala Kako kvantizacija utiče na količinu podataka? Ako je korak kvantizacije veći signal se kvantuje sa manje nivoa (grublja kvantizacija) pa je potrebno manje bita za kodovanje odmjeraka – manja količina podataka

Uticaj kvantizacije na količinu podataka i kvalitet signala Kako kvantizacija utiče na količinu podataka? Ako je korak kvantizacije veći signal se kvantuje sa manje nivoa (grublja kvantizacija) pa je potrebno manje bita za kodovanje odmjeraka – manja količina podataka Kako kvantizacija utiče na kvalitet signala?

Uticaj kvantizacije na količinu podataka i kvalitet signala Kako kvantizacija utiče na količinu podataka? Ako je korak kvantizacije veći signal se kvantuje sa manje nivoa (grublja kvantizacija) pa je potrebno manje bitova za kodovanje odmjeraka – manja količina podataka Kako kvantizacija utiče na kvalitet signala? Kvantizacijom se unosi greška u reprezentaciju signala – šum kvantizacije Grublja kvantizacija povlači izraženiji šum kvantizacije čime je kvalitet signala lošiji

Kvalitet audio signala Slušaoci ocjenjuju kvalitet signala – subjektivna mjera Komplikovano Dugotrajno Može li se definisati objektivna mjera kvaliteta signala koja bi bila u korelaciji sa onim što slušalac opaža?

Kvalitet audio signala Slušaoci ocjenjuju kvalitet signala – subjektivna mjera Može li se definisati objektivna mjera kvaliteta signala koja bi bila u korelaciji sa onim što slušalac opaža? Odnos signal-šum (Signal-to-Noise Ratio, SNR) Odnos signal-šum kvantizacije (SQNR)

SNR za uniformno kvantovani signal Za korak kvantizacije Δ, šum kvantizacije se nalazi u intervalu [- Δ/2, Δ/2) Dodavanje jednog bita udvostručava broj kvantizacionih nivoa – korak kvantizacije se smanjuje dva puta Efektivna vrijednost šuma kvantizacije se smanjuje dva puta – snaga šuma kvantizacije se smanjuje 4 puta Odnos signala i šuma kvantizacije SQNR se povećava za 6 dB SQNR  6N dB N = 8 bita: SQNR = 48 dB N = 16 bita: SQNR = 96 dB Izvesti famoznih 6 dB/bit.

Uticaj kvantizacije na kvalitet audio signala Brzina odmjeravanja i broj bita Audio fajl 44100 Hz, 16 bita 44k_16bit.wav 44100 Hz, 8 bita 44k_8bit.wav 22050 Hz, 16 bita 22k_16bit.wav 22050 Hz, 8 bita 22k_8bit.wav 11025 Hz, 8 bita 11k_8bit.wav

Memorijski zahtjevi za digitalni audio Memorija potrebna za T sekundi mono audio signala odmjeravanog sa Fs i kodovanog sa B bita = T * Fs * B / 8 bajtova Potrebna brzina prenosa = B * Fs bit/s Stereo signal zahtjeva 2 puta više memorije, odnosno 2 puta veću brzinu prenosa Kompresija omogućava manje zauzeće memorije i veću efektivnu brzinu prenosa Uraditi na tabli primjer za CD 1 min audio CD kvaliteta: 60 * 44100 * 16 * 2 / 8 / 1024 / 1024 = 10,1 MB bit rate: 44100 * 16 * 2 / 8 / 1000 = 176,4 kB/s (za bit rate se koristi SI prefiks k = 1000)

Primjeri Kvalitet FS Bit/odmjerku Mono/stereo Brzina (kB/s) Opseg frekvencija Telefon 8 Mono 200-3400 AM radio 11,025 11,0 100-5500 FM radio 22,050 16 Stereo 88,2 20-11000 CD 44,1 176,4 5-20000 DAT 48 192,0 DVD audio 192 (max) 24 (max) Do 6 kanala 1200,0 (max) 0-96000 (max)

Kodovanje signala Dodjeljivanje kodne riječi svakom kvantizacionom nivou je kodovanje signala Konverzija u binarnu reprezentaciju Niz odmjeraka se predstavlja nizom bita Pitanja: Fiksna ili promjenljiva dužina koda? Da li će se koristiti kompresija? Opisani postupak digitalizacije Svakom odmjerku se dodjeljuje binarna reprezentacija fiksne dužine Impulsna kodna modulacija (Pulse Code Modulation – PCM) – neuniformna kvantizacija (telefonija) Linearna impulsna kodna modulacija (LPCM) – uniformna kvantizacija (WAV, CD) Postoje i složenije šeme koje uzimaju u obzir susjedne odmjerke

Digitalizacija signala Prilikom digitalizacije signala potrebno je odgovoriti na tri pitanja: Kolika je brzina odmjeravanja? Koliko mora biti fina kvantizacija i da li je kvantizacija uniformna? U kom formatu će biti kodovani podaci (kakav je format fajla)?

Digitalno/analogna konverzija Reprodukcija digitalnog sadržaja u mnogim slučajevima zahtijeva da se digitalni signal pretvori u analogni Npr. reprodukcija muzike zahtijeva da se od digitalnog ponovo dobije analogni električni signal (digitalno/analogna konverzija) koji se u zvučnicima pretvara u varijacije vazdušnog pritiska što čovjek opaža kao zvuk Ili, reprodukcija slike/videa koristi ekran monitora da bi se generisala svjetlost promjenljivog intenziteta koja je osnova za ljudsku percepciju slike Potrebno je interpolirati vrijednosti signala između odmjeraka

Digitalno/analogna konverzija

Digitalno/analogna konverzija Potrebno je ograničiti frekvencijski opseg interpoliranog signala Postfiltar nakon interpolacije

Blok dijagram sistema za digitalnu obradu analognog signala Algoritam za digitalnu obradu signala Matematičke operacije nad signalom Realizacija: softverska hardverska kombinacija hardver/softver

Literatura Glava 2