Laboratorium Przetwarzanie i generacja cyfrowych sygnałów

CYFROWE PRZETWARZANIE
SYGNAŁÓW FONICZNYCH
Laboratorium
Ćwiczenie 4
Temat:
Przetwarzanie i generacja cyfrowych
sygnałów fonicznych
Opracował:
mgr inŜ. Arkadiusz Nagórski
Politechnika Warszawska, Instytut Radioelektroniki
Zakład Elektroakustyki
Warszawa, czerwiec 2000
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie uczestników z procesami przetwarzania i generacji
cyfrowych sygnałów fonicznych za pomocą programu komputerowego Adobe Audition.
Ćwiczenie umoŜliwi między innymi:
•
•
•
•
zbadanie wpływu sygnału dithera o wybranej wartości międzyszczytowej na widmo
amplitudowe generowanych sygnałów,
pomiar jittera w sygnale cyfrowym na podstawie analizy prąŜków 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 moŜliwości jak najdłuŜsze okna czasowe analizy widmowej
(najlepiej 16384, 32768 lub 65536 próbek),
zwrócić uwagę na to, aby szerokość okna czasowego nie była większa niŜ szerokość
badanego fragmentu sygnału, w razie potrzeby zmniejszyć szerokość okna, znacznik na
skali czasu sygnału określa połoŜenie środka okna,
widma sygnałów lepiej oglądać w logarytmicznej skali częstotliwości.
1.
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 moŜe 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 naleŜy 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.
2
2.
Jitter sygnału cyfrowego
Jitter sygnału cyfrowego jest związany z niedokładnością czasową próbkowania sygnału
analogowego lub niedokładnością czasową przetwarzania sygnału cyfrowego na analogowy.
Jego istnienie moŜe 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 (2πf o (t + τ j (t ) )) ,
zakłócony jittrem τj(t) o następujących właściwościach:
•
jitter okresowy, sinusoidalny o przebiegu:
τ j (t ) = A ⋅
Ts
⋅ sin (2πf 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) moŜna 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,
połoŜenie harmonicznych w widmie sygnału w zaleŜności od częstotliwości jittera.
2.2 Przeprowadzić odsłuch wybranych sygnałów o skrajnie róŜnych wartościach amplitudy
jittera okresowego i losowego (np. A równe: 1 i 0.001). Skomentować brzmienie
sygnałów.
3
3.
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
„vocal.wav”, „piano.wav”, „violin.wav”, itp.
instrumentalnego,
np.:
„voice.wav”,
Sygnały naleŜy sumować w proporcji nie większej niŜ 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 niŜ dostarczone do ćwiczenia, naleŜy 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 moŜliwość 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 kaŜdego przypadku porównać uzyskane rezultaty z sygnałem oryginalnym (odsłuch i
analiza widma).
4.
Efekty czasowe, amplitudowe, kompresja i ekspansja dynamiki sygnału
Zaobserwować i opisać wynik następujących operacji na sygnale dźwiękowym:
a) dodanie echa, opóźnień do sygnału - Delay Effects,
b) modyfikacja obwiedni sygnału - Envelope,
c) kompresja/ekspansja dynamiki - Amplitude, Special.
5.
Literatura
Skrypt i materiały do wykładu „Cyfrowe Przetwarzanie Sygnałów Fonicznych” prof. Z. Kulki
Help programu AdobeAudition, http://www.adobe.com
4