Reducerea zgomotului la redare (I)hermes.etc.upt.ro/docs/anIV/prelucrare_sunet.pdfPAS COD TENSIUNE...

39
1 Reducerea zgomotului la redare (I) Reducerea zgomotului la redare (I) Zgomot = semnal de nivel scăzut şi cu frecvenţă medie 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 zgomot OUT: semnal cu un RSZ îmbunătăţit cu 8 dB inversor 180° FTS 4 kHz amplificator limitator cale directă comutator controlat Σ IN OUT

Transcript of Reducerea zgomotului la redare (I)hermes.etc.upt.ro/docs/anIV/prelucrare_sunet.pdfPAS COD TENSIUNE...

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

31

InterfaInterfaţţa MIDI (I)a MIDI (I)

CAN CNA

Semnal audio digital

Sunet analogic Sunet digital

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