Cyfrowa Technika Foniczna Ćwiczenie 1 Badanie właściwości

Cyfrowa Technika Foniczna
Ćwiczenie 1
Badanie właściwości sygnałów fonicznych
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie uczestników z procesami przetwarzania i generacji cyfrowych
sygnałów fonicznych za pomocą programu komputerowego CoolEdit w środowisku Windows 95.
Ćwiczenie umożliwi między innymi:
•
•
•
•
•
poznanie przebiegu czasowego i widma prostych sygnałów harmonicznych i szumu
zbadanie wpływu sygnału dithera o wybranej wartości międzyszczytowej na widmo
amplitudowe generowanych sygnałów,
pomiar jittera w sygnale cyfrowym na podstawie analizy prążków modulacyjnych widma
amplitudowego,
zapoznanie się z metodą usuwania szumu i zakłóceń z nagrań,
obserwację efektów zmiany parametrów sygnału w dziedzinie czasu (echo, opóźnienie) i
dziedzinie częstotliwości (modyfikacja obwiedni, kompresja i ekspansja dynamiki).
Uwagi do ćwiczenia:
•
•
•
proszę stosować w miarę możliwości jak najdłuższe okna czasowe analizy widmowej (najlepiej
16384, 32768 lub 65536 próbek),
zwrócić uwagę na to, aby szerokość okna czasowego nie była większa niż szerokość badanego
fragmentu sygnału, w razie potrzeby zmniejszyć szerokość okna, znacznik na skali czasu
sygnału określa położenie środka okna,
widma sygnałów lepiej oglądać w logarytmicznej skali częstotliwości.
Badanie widma i przebiegu czasowego sygnałów
1)
Wygenerować i zapisać sygnały (menu Generate, ust, 44.1 kHz, mono, 32bity):
1. ton o częstotliwości 440Hz
2. ton o częstotliwości 1000Hz
3. ton wibrujący (modulowany częstotliwościowo) o częstotliwości 2000Hz Mod by 100 Freq
mod 80
4. dźwięk o narastającej częstotliwości; początkowa 440 końcowa 2000
5. sygnał prostokątny o częstotliwości 440
6. sygnał trójkątny o częstotliwości 440
7. dźwięk harmoniczny (harmoniczne parzyste) o składowych f0=400Hz, 2 f0, 4 f0, 6 f0
8. dźwięk harmoniczny (harmoniczne nieparzyste) o składowych: f0=400Hz, 3 f0, 5 f0, 7 f0 o
amplitudach kolejnych harmonicznych jak w p. 7
9. szum biały
10. szum różowy
Czas trwania sygnału 2-5 s
proszę zwracać uwagę na ustawienia początkowe i końcowe!
2)
Odsłuchać, obejrzeć widma kolejnych zapisanych sygnałów
w p 7 i 8 obejrzeć przebiegi czasowe.
W analizie widmowej zastosować okno Blackmana-Harrisa i FFT size 65536. W p 3,5,6,7,9
zastosować również drugie, dowolnie wybrane, zmieniać ich szerokość. W sprawozdaniu:
skomentować wpływ typu okna i jego szerokości na widmo; ocenić różnicę brzmienia 5 i 6, 7 i 8;
krótko omówić widma 3-10
3)
Zmienić częstotliwość próbkowania (konwersja) i długość słowa bitowego (rekwantyzacja)
Edit/Convert Sample Type
4)
Dla zapisanego tonu o częstotliwości 1000Hz zmienić długość słowa na 8 bitowe bez zmiany
częstotliwości próbkowania, zapisać jako nowy plik; obejrzeć widma przed i po zmianie, odsłuchać.
W sprawozdaniu: skomentować różnice
5)
Dla wygenerowanego i zapisanego tonu o częstotliwości 10kHz z częstotliwością próbkowania 44,1
kHz zmienić częstotliwość próbkowania na 8 kHz bez zmiany długości słowa, zapisać; porównać
widma. W sprawozdaniu: skomentować różnice.
6)
Zapisać i odsłuchać wybraną próbkę muzyki (z katalogu Próbki) zmienić częstotliwość
próbkowania na 8kHz. Ocenić słuchowo zmianę jakości. W sprawozdaniu: skomentować
subiektywnie ocenioną różnicę jakości.
Dither w sygnale fonicznym
Dither jest sygnałem losowym dodawanym do sygnału fonicznego w celu poprawy liniowości
amplitudowej charakterystyki przejściowej układów do przetwarzania analogowo-cyfrowego.
Stosowanie dithera pozwala zredukować poziom zniekształceń harmonicznych w widmie
skwantowanego sygnału, kosztem pogorszenia stosunku sygnału do szumu. Dither może być
sygnałem zarówno analogowym (dodawanym do sygnału fonicznego przed próbkowaniem) lub
cyfrowym (dodawanym do cyfrowego sygnału fonicznego przy zmianie poziomu kwantyzacji lub
przy przetwarzaniu sygnału cyfrowego na sygnał analogowy).
Zadania
1.1 Wczytać lub wygenerować następujące sygnały (częstotliwość próbkowania 44.1 kHz,
rozdzielczość 32 bity, czas trwania 2-5 s):
•
•
ton harmoniczny o częstotliwości 100 Hz,
ton harmoniczny o częstotliwości 1000 Hz,
1.2 Dokonać kwantyzacji sygnałów do 8 lub 16 bitów, wykorzystując do tego celu opcję Convert
Sample Type. Kwantyzację sygnałów należy przeprowadzić dla wyłączonej i włączonej funkcji
ditheringu (Enable Dithering).
Zbadać i porównać jak wpływają na widmo sygnałów następujące czynniki:
•
•
wielkość amplitudy dithera (Dither Depth bits: 0.2-2),
rodzaj funkcji rozkładu prawdopodobieństwa (p.d.f.: Rectangular, Triangular, Gaussian).
Proszę nie stosować opcji kształtowania szumu.
Jitter sygnału cyfrowego
Jitter sygnału cyfrowego jest związany z niedokładnością czasową próbkowania sygnału
analogowego lub niedokładnością czasową przetwarzania sygnału cyfrowego na analogowy. Jego
istnienie może być związane z następującymi czynnikami:
•
•
•
•
niestabilnością częstotliwości sygnału taktującego zegara,
niesynchroniczną pracą urządzeń,
zmiennym czasem opadania/narastania sygnału taktującego,
modulacją amplitudy sygnału taktującego przez sygnał foniczny, zakłócenia napięcia zasilania
lub sieci energetycznej, itp.
W ćwiczeniu będzie badany wpływ jittera na widmo sygnału harmonicznego. Wykorzystany
zostanie sygnał sinusoidalny y(t):
y (t ) = sin ( 2π f o ( t + τ j (t ) ) ) ,
zakłócony jittrem τj(t) o następujących właściwościach:
•
jitter okresowy, sinusoidalny o przebiegu:
τ j (t ) = A ⋅
Ts
⋅ sin ( 2π f j t ) ,
2
•
jitter losowy o rozkładzie jednostajnym o przebiegu: τ j (t ) = A ⋅
Ts
⋅ rand U ( − 1,1) ,
2
gdzie: A określa skalowanie amplitudy jittera, typowo: A∈(0,1).
Dla przypadku jittera sinusoidalnego, w sygnale tonu y(t) można zaobserwować harmoniczne o
częstotliwościach: ± f o ± n ⋅ f j , gdzie n=1,2,3... .
Zadania
2.1 Przeprowadzić analizę porównawczą widm sygnałów zapisanych w plikach „jit_*.wav” (z
katalogu „Jitter”) i omówić:
•
•
•
wpływ rodzaju jittera (sinusoidalny, losowy) na widmo sygnału,
wpływ amplitudy jittera (A równe: 1, 0.1, 0.01, 0.001) na poziom zakłóceń w widmie sygnału,
położenie harmonicznych w widmie sygnału w zależności od częstotliwości jittera.
2.2 Przeprowadzić odsłuch wybranych sygnałów o skrajnie różnych wartościach amplitudy jittera
okresowego i losowego (np. A równe: 1 i 0.001). Skomentować brzmienie sygnałów.
Usuwanie zakłóceń i szumu z nagrań
W ćwiczeniu zastaną wykorzystane następujące rodzaje sygnałów zakłócających:
•
•
trzaski płyty analogowej (click*.wav),
przydźwięk sieciowy (humnoise.wav) lub szum taśmy magnetofonowej z przydźwiękiem
(tapenoise.wav),
Sygnały zakłócające będą dodawane do wybranych sygnałów dźwiękowych:
•
•
tonu harmonicznego, np. „tone1000Hz.wav”,
głosu, nagrania wokalnego lub nagrania instrumentalnego, np.: „voice.wav”, „vocal.wav”,
„piano.wav”, „violin.wav”, itp.
Sygnały należy sumować w proporcji nie większej niż 1:1 tak jednak, aby po zsumowaniu, sygnał
zakłócający był wyraźnie słyszalny w tle sygnału oryginalnego (opcja Mix Paste...).
Dostarczone do ćwiczenia sygnały zakłócające i dźwiękowe mają unormowaną i jednakową
maksymalną moc skuteczną Psk_max, równą -20 dB (czas uśredniania 1ms). W przypadku korzystania
z sygnałów innych niż dostarczone do ćwiczenia, należy określić i unormować ich maksymalną
moc skuteczną Psk_max, zanim sygnały zostaną do siebie dodane (wykorzystać do tego celu opcje
Statistics oraz Amplify).
Zadania
3.1 Dla wybranych sygnałów dźwiękowych i zakłócających (fragmenty 2-5 sekundowe) zbadać
możliwość i jakość redukcji zakłóceń z sygnału oryginalnego za pomocą następujących metod:
•
•
•
Click/Pop Eliminator
usuwa trzaski, krótkotrwałe zakłócenia w
przebiegu czasowym sygnału,
Hiss Reduction
progowanie amplitudy widma sygnału,
Noise Reduction
redukcja szumu na podstawie analizy widma sygnału.
Dla każdego przypadku porównać uzyskane rezultaty z sygnałem oryginalnym (odsłuch i
analiza widma).
Efekty czasowe, amplitudowe, kompresja i ekspansja dynamiki sygnału
Zaobserwować i opisać wynik następujących operacji na sygnale dźwiękowym:
a)
b)
c)
dodanie echa, opóźnień do sygnału - Delay Effects,
modyfikacja obwiedni sygnału - Envelope,
kompresja/ekspansja dynamiki - Amplitude, Special.