Föreläsning: Digitalt Ljud. signalbehandling. Elektronik - digital signalbehandling. Signal och spektrum. PC-ljud. Ton från telefonen.

Transkript

1 Elektronik - digital signalbehandling Föreläsning: Digitalt Ljud Bengt Mandersson Hur låter signalbehandling Institutionen för elektro- och informationsteknik Elektronik - digital signalbehandling 2 PC-ljud Signal och spektrum Ton från telefonen Ljudexempel från internet

2 Signaler Signal och Spektrum Hur ser signalbehandling ut? Signalbehandling, spektrogram s i g n s i noise tonande ljud s i g n a l Signalbehandling, spektrum Signalbehandling, zoomat spektrogram Vad kan vi ha signalbehandling till? Spektrum

3 Ljudåtergivning Innehåll Digitalt Ljud Signaler och frekvensspektrum Demonstration på DSP CD-spelare MP3-kodning, principp Talkodning i mobiltelefon Sinussignaler och dess spektra Musikinstrument och dess spektra Sinussignal (ren ton) Signal (vågform) Spektrum Klarinett Signal Spektrum Periodtid T 0 =1/440 s Frekvens F 0 =1/ T 0 =440 Hz Harmonisk signal (vokalljud) Signal (vågform) Spektrum Trombon Signal Spektrum Grundperiod T 0 =10 ms Grundfrekvensrekvens F 0 =1/ T 0 =100 Hz

4 Lyssna till ditt hjärta Hjärta EKG-signal Spektrum Vitt brus, färgat brus Slumpmässiga signaler Vitt brus Signal (vågform) Spektrum Så låter hjärtat 4 gånger så fort 10 gånger så fort 100 gånger så fort Ännu fortare Färgat brus Signal (vågform) Spektrum Ännu fortare och lite mindre diskant Analog krets Digital krets, FIR Analog krets, RC-krets Digital krets (FIR, finite impulse response) x(t) y(t) x[n] Filter med ändligt långt minne (FIR) krets y[n] Kondensatorn har minne (lagrar spänning) Kretsen beskrivs av differensekvationen: y ( t) + a y( t) = b x( t) y[n] = 0.8 x[n] x[n-1] Kretsen beräknar ett viktat medelvärdet av de två senaste insignalvärdena. Kod körs varje gång ett nytt värde finns från A/D-omvandlaren x=adinput; y=0.8*x + 0.2*xold; xold=x; DAoutput=y;

5 Digital krets, IIR Hårdvara för signalbehandling Digital krets (IIR, infinite impulse response) Vilken hårdvara behövs för realtidstillämpningar av digitala kretsar? x[n] krets Filter med oändligt långt minne (IIR) y[n] Jo, vi behöver någon form av dator eller specialkrets samt A/D och D/A omvandlare. y[n] = 0.9 y[n-1] + x[n] ( digital RC-krets ) Dessutom behövs oftast ett realtidsoperativsystem. Kod, körs varje gång ett nytt värde finns från A/D-omvandlaren x=adinput; y=0.9*yold + x; yold=y; DAoutput=y; Kan vi göra digital signalbehandling i realtid själv? Ja, tex med ett DSP starters kit Digital Signal Processor (DSP) DSP starters kit Texas Instruments DSK6713 Digital Signal Processor (DSP) Demo av syntetisk musik Innehåller en DSP-krets (6713) flyttalsprocessor, minne, A/D D/A och USB-interface till PC. Program laddas från PC. Projekt i kursen Algoritmer i signalprocessorer

6 Trigonometri Lite trigonometri från gymnasiet Radio Bilder från Radioföreläsningen, Göran Jönsson 2cos( a )cos( b ) = cos( a + b ) + cos( a b ) Multiplikation av cosinustermert ger alltså summa och skillnadsvinkel Detta används flitigt i all kommunikation 2 2 cos(2π f1 n)cos(2π f2 n) = cos(2π ( f1 + f2) n) + cos(2π ( f1 f ) n) Vi får alltså summa och skillnadsfrekvens. Vi visar detta med ett par exempel Demo av SSB-modulation Demonstration av reverb Ett reverb adderar eko för att ge ett fylligare ljud och för att efterlikna akustiken i olika miljöer och olika rum. Vi demonstrerar det i DSP:n. Programmet är gjort i kursen Algoritmer i signalprocessorer

7 Akustisk eko i ett rum (från Mitra) Det är lite av detta som ett reverb ska efterlikna Nya tillämpningar på digital signalbehandling Aktiv brusreducering i headset Lagring av musik och komprimering Oförstörbar komprimering: tex.zip Förstörande komprimering: Komprimering av bilder: jpeg Komprimering av musik: Tex MP3 Komprimering av rörliga bilder: MPEG Komprimering i mobiltelefon: Signalmodell av resonanser i munnen (LPC) MP3 är ljudkodningen i MPEG1 Vinylskivor, stenkakor Hastighet Stenkaka 78 varv/min EP 45 varv/min LP 33 varv/min Måste rotera med konstant hastighet. Skivtallriken måste vara ganska tung för att undvika svaj. Drivning med hjälp av gummiremmar. Lång hållbarhet hos skivor men med kontinuerligt minskande kvalitet. Repkänsligt

8 Ljud-CD Musikkompression med mp3 Digital lagring Ljud-CD Hz sampling (max insignalfrekvens ca 20 khz) 16 bitar (SDR vid kvantisering max 96 db, 6 db/bit) 2 kanaler 1400 kbit/sekund = 10MByte/minut CD rymmer: 70 min Kvaliteten av inspelning försämras inte med tiden. Hållbarhetstid okänd. Varför MP3 och vilken är principen för MP3 Örat hör inte frekvenser som ligger nära andra starka toner (frekvensmaskering). Örat har bäst frekvensupplösning i talområdet, dvs Hz. Grundidé: Använd låg detaljnivå för sådant som örat ändå inte hör! Detta kräver frekvensuppdelning av signalen. Gör denna grövre utanför talområdet. Inte repkänsligt Frekvensmaskering 1 Frekvensmaskering 2 v (di di di da) v (di di di da) sinus sinus v + sinus v + sinus

9 Frekvensmaskering 3 Frekvensmaskering 4 v (di di di da) v (di di di da) Syntetisk vokal Syntetisk vokal v + syntetisk vokal v + syntetisk vokal MP3-kodare Blockschema över MP3-kodare MP3-avkodare Blockschema över MP3-avkodare

10 MP3-exempel Jämförelse CD och MP3 Exempel 320 kbit/s 50 min (128MB) 23 % 9% 32 kbit/s 9 h (128 MB) 128 kbit/s 2 h (128 MB) 8 kbit/s 35 h (128 MB) CD Hz sampling 16 bitar 2 kanaler 1400 kbit/sekund = 10MByte/minut CD rymmer: 70 min MP3 Intelligent komprimering Mono eller stereo Fullt frekvensomfång 128 kbit/sekund = 0.96 MByte/minut CD rymmer: 729 min 2 % 0.6 % Ljudkomprimering i mobiltelefon Modell för syntetiskt tal Hårdvara för talproduktion Stämband Pulståg Munhåla, läppar Ljud ut Vokalljud Filter Brusljud vitt brus Resonansmodell av munnen (LPC) Vokalljud modelleras av ett pulståg generarat av stämbanden och som formas av resonanser i munhålan. Pulstågets frekvens kallas pitchfrekvens (grundton)

11 Principen för talkodning i mobil (GSM) Talkodning i mobiltelefoni, sändarsida Principen för talkodning i GSM är att köra modellen av syntetiskt tal baklänges. Steg 1: Bestäm munnens resonansfrekvenser utgående från talet och sänd dessa till mottagaren. Steg 2: Gör invers mun och vi får då en signal med mindre information. Sänd denna signal med låg upplösning (få bitar, låg sampelfrekvens). Steg 3: Mottagaren tar emot signalen från steg 2 och lägger till munnens resonanser. Bithastigheten för talkodningen är 13 kbit/s Talkodning i mobil, mottagarsida Slut