Digitalizace akustického signálu
Počítačové zpracování řeči
Luděk Bártek
Fakulta Informatiky Masarykova Univerzita Brno
podzim 2015
Digitalizace akustického signál
Luděk Bártek
Digitalizace akustického signálu
Digitalizace zvuku
• Cíl - převod spojitého signálu na posloupnost digitálních hodnot vhodných pro uchování v počítači.
• Postup digitalizace:
O Vzorkování - převod reálných vstupních hodnot na posloupnost
diskrétních reálných čísel. Q Kvantizace - převod posloupnosti reálných čísel na posloupnost
celých čísel.
O Kódování - způsob uložení a kódování posloupnosti celočíselných hodnot získaných v kroku 2.
Digitalizace akustického signálu
Vzorkování
• Transformace spojitého časové závislého signálu s(t) na časově diskrétní posloupnost sn(T) = 0, 1, 2, ...
• T - perioda vzorkování.
• Pokud nemá dojít ke ztrátě informace, musí být vzorkovací frekvence aspoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence, která je signálu obsažena.
• Po čase T je sejmuta a dána na výstup (ke kvantizaci) hodnota ze vstupního snímače.
• většinou okamžitá úroveň napětí nebo proudu na vstupu.
• Oblasti použití
• digitální zpracování zvuku
• audio CD
• mp3 - navíc použita ztrátová komprese
• miniDisc - navíc použita ztrátová komprese ATRAC
• DAT
• ...
• digitální zpracování signálu obecně (digitalizace dat z různých analogových měřících zařízení, digitální zpracování obrazu, . ..)
Digitalizace akustického signálu I
vzorkovací teorém
• Analogový signál s(t) lze rekonstruovat z hodnot vzorků s„(7~) následovně:
právě tehdy když je vzorkovací frekvence alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence obsažené ve vstupním signálu. • Důsledky:
• Vzorkovací frekvence by měla být alespoň dvojnásobkem nejvyšší frekvence vstupního signálu.
• Je-li menší dochází ke zkreslení složek vyšších frekvencí.
• Spor příznivců a odpůrců audio CD - je 44kHz dostačující vzorkovací frekvence pro hudbu?
n)
n))
Digitalizace akustického signálu
• Převod reálných navzorkovaných hodnot na celočíselné hodnoty.
• Počet celočíselných hodnot = počet úrovní kvantování
• 256
• 65 536
• 16 777 216
• Kvantizační krok - reálný interval přiřazený kvantizované jednotce.
• Na vstupu je signál s amplitudou 128 mA (-128 - 127 mA).
• 8bitová kvantizace - 256 kvantizačních úrovní
• kvantizační krok — 25^j-™^ — í[mA\.
• Běžně používané kvantizace - 8, 16, 24, 32 bitů.
• Realizováno pomocí A/D převodníků
• součást zvukových karet
• mobilních telefonů
• ...
Digitalizace akustického signálu |
Běžně používané parametry digitalizace zvuku
• Vzorkovací frekvence:
• 8 kHz - telefonní kvalita
• 16 kHz - běžná řeč
• 22 kHz - rozhlasová kvalita
• 44 kHz - audio CD
• 48 kHz - DVD
• Kvantizace:
• 8 bitů
• 16 bitů
• 24 bitů
• 32/64 bitů v pohyblivé řádové čárce
• Počet audio kanálů
• 1
• 2
• 4
• 6 (5.1, 5 směrových kanálů + basy)
Digitalizace akustického signálu
Způsoby kódování signálu
• PCM - přímé ukládání hodnot získaných kvantizací.
• Výhody - jednoduché na zpracování, nedochází k další ztrátě informací.
• Nevýhody:
• často malé rozdíly mezi hodnotami sousedních vzorků -značná redundance dat,
• konstantní hodnota kvantizačního kroku (závisí na parametrech AD převodníku) - v případě malé amplitudy vstupního signálu - ztráta informace (signál nepřekročí kvantizační krok), v případě velké amplitudy - hodnota překročí rozsah - zkreslení signálu. Oba případy brání kvalitn rekonstrukci původního signálu.
Digitalizace akustického signálu
Kódování průběhu vlny
Řešení nevýhod PCM
• Diferenční PCM
• Uchovávání rozdílů sousedních vzorků místo uchovávání jejich hodnot.
• Hodnota rozdílu bývá podstatně menší než hodnota vzorku -lze uchovat pomocí méně bitů.
• Adaptivní PCM
• Kvantizační krok se určuje na základě amplitudy vstupního signálu.