ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8 Ηχητική Πληροφορία 19 Φεβρουαρίου, 2004 Χρυσάνθη Πρέζα, D.Sc. Επισκέπτρια Επίκουρη Καθηγήτρια TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

Περίληψη Θέματα για σήμερα Δημιουργία ηχητικού σήματος Χαρακτηριστικά ηχητικού σήματος Συχνότητα, πλάτος, φάσμα, εύρος ζώνης Μετατροπή ηχητικού σήματος αναλογικό / ψηφιακό Δειγματοληψία κβαντισμός Μετατροπή ψηφιακό / αναλογικό Demo

Υλικό Αναφοράς Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001, Κεφ. 10, σελίδες Κεφ. 11, σελίδες Κεφ. 12, σελίδες Demos στο CD ΗΧΟΣ & ΑΚΟΗ Ήχος και ηχητικά πρότυπα! Τα μικρόφωνα και εμείς Σύλληψη του ήχου και ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματο dio.html

Δημιουργία ηχητικού σήματος Ο ήχος που ακούμε δημιουργείτε από την κίνηση (συμπίεση και αποσυμπίεση) των μορίων του αέρα ως αποτέλεσμα μιας μηχανικής δύναμης Π.χ. ακούμε θόρυβο όταν ένα βιβλίο πέσει στο πάτωμα Η λειτουργία των αυτιών μάς επιτρέπει να αντιληφθούμε την μεταβολή στην πίεση του αέρα Αυτή η διαφορά στην πίεση του αέρα μπορεί να μετρηθεί με το μικρόφωνο Μετατροπή της κίνησης του αέρα σε ηλεκτρικό σήμα (τάση ή ρεύμα) Το ηχητικό σήμα είναι το ηλεκτρικό σήμα που παράγει το μικρόφωνο και αναπαριστά την αλλαγή της πίεσης του αέρα σαν συνάρτηση του χρόνου Ο μηχανισμός διάδοσης του ηχητικού κύματος σε ένα μέσο είναι σα ένα ελατήριο

Παράδειγμα ηχητικού σήματος Χρόνος τ [ms] ν(τ) [V]

Γνήσιος τόνος (pure tone) Το χρονικό διάστημα μεταξύ δύο κορυφών του σήματος είναι κάθε 2.27 ms = (1 / 440) s => αυτό το σήμα επαναλαμβάνεται 440 φορές ανά δευτερόλεπτο Λέμε ότι έχει συχνότητα 440 HZ Hz = cycles / s κορυφή τ [s] κορυφή

Φυσικά Χαρακτηριστικά του Ήχου Συχνότητα: - Καθορίζει πόσες ταλαντώσεις εκτελούνται στη μονάδα του χρόνου Όσο μεγαλύτερη η συχνότητα τόσο πιο οξύς ο ήχος Το ανθρώπινο αυτί αντιλαμβάνεται τις συχνότητες στο διάστημα: 20Hz – 20kHz Οι ήχοι υψηλότερων συχνοτήτων δεν γίνονται αντιληπτοί και ονομάζονται υπέρηχοι Πολύ μεγαλύτερη ευαισθησία σε σύγκριση με το μάτι Πλάτος: - Όσο μεγαλύτερο το πλάτος τόσο μεγαλύτερη η δύναμη με την οποία τα μόρια του αέρα χτυπούν στο τύμπανο του αυτιού Μεγαλύτερο πλάτος σημαίνει δυνατότερος ήχος

Απλοί και σύνθετοι ήχοι Γνήσιοι τόνοι f= 220 HZ f= 440 HZ

Απλοί και σύνθετοι ήχοι Ένα διαπασών ταλαντώνεται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα, όμως οι περισσότερες πηγές ήχου ταλαντώνονται με πιο πολύπλοκο τρόπο Η νότα που παράγεται από τη χορδή ενός βιολιού προκαλεί διαφορετικές ταλαντώσεις σε συχνότητες που είναι ακέραια πολλαπλάσια της συχνότητας της συγκεκριμένης νότας

Φάσμα συχνοτήτων Όλα τα σήματα μπορούν να δημιουργηθούν προσθέτοντας γνήσιους τόνους => ένα ηχητικό σήμα είναι το άθροισμα συγκεκριμένων γνήσιων τόνων Ο κάθε γνήσιος τόνος έχει μία συχνότητα => ένα ηχητικό σήμα έχει ένα φάσμα συχνοτήτων Η διαφορά μεταξύ της μεγαλύτερης συχνότητας και της μικρότερης συχνότητας λέγεται το εύρος ζώνης (bandwidth) του σήματος

Φάσμα γνήσιου τόνου time [s]

Φάσμα σήματος φωνής Μέγιστη συχνότητα

Μετατροπή Ηχητικού Σήματος Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να μετατραπεί σε ένα ψηφιακό σήμα Αναλογικόψηφιακός μετατροπέας (A/D converter) Δειγματολήπτης Κβαντιστής

Επεξεργασία Ηχητικών Σημάτων Παράδειγμα Μετατροπή μουσικού σήματος σε ψηφιακό σήμα Αποθήκευση του ψηφιακού σήματος σε οπτικό δίσκο (CD) Αναπαραγωγή αναλογικού μουσικού σήματος Σε ένα σύστημα έχουμε συνδυασμό αναλογικών και ψηφιακών σημάτων καθώς και συνδυασμό αναλογικής και ψηφιακής συμπεριφοράς A/D D/A Σύστημα Ψηφιακής Επεξεργασίας

Δειγματοληψία Αναλογικό σήμαΣήμα διακριτού χρόνου

Δειγματοληψία (Sampling) Το σήμα διακριτού χρόνου αποτελείται από δείγματα (samples) του αναλογικού σήματος που παίρνονται σε χρονικά διαστήματα nT, όπου n είναι ένας ακέραιος αριθμός και Τ είναι η περίοδος δειγματοληψίας (sampling period) f s= 1 / T είναι η συχνότητα ή ρυθμός δειγματοληψίας (sampling rate)

Δειγματοληψία Δεδομένο: Όποτε γίνεται δειγματοληψία από ένα αναλογικό σήμα αναπόφευκτα χάνονται ορισμένες πληροφορίες του σήματος. Ερώτηση: Πόσο γρήγορα πρέπει να παίρνουμε δείγματα από ένα αναλογικό σήμα; Δηλαδή πόσα δείγματα σε κάποιο χρονικό διάστημα; Απάντηση: Η δειγματοληψία πρέπει γίνεται με τέτοιο ρυθμό έτσι ώστε το σήμα να αναγνωρίζεται από τα δείγματα. Τότε η ποσότητα πληροφοριών του σήματος που χάνεται είναι η μικρότερη.

Αναγνώριση Σήματος Από Δείγματα Τριγωνικό σήμα

Ρυθμός Δειγματοληψίας εξαρτάται από το σήμα Σύγκρινε το ημιτονικό και το τριγωνικό σήμα στο προηγούμενο σχήμα Ψηλότερος ρυθμός είναι απαραίτητος για σήμα που αλλάζει ραγδαία εξαρτάται και από την εφαρμογή Στην τηλεφωνία ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι f s= 8 ΚHz δηλαδή 8000 δείγματα ανά δευτερόλεπτο για CD (compact disc) μουσικής χρησιμοποιείται f s= 44.1 ΚHz δηλαδή δείγματα ανά λεπτό για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής => παίρνουμε την τιμή του σήματος μία φορά κάθε 1/(44.100) = 23 ms

Ρυθμός Δειγματοληψίας Η ρυθμός δειγματοληψίας δεν είναι τυχαίος Το θεώρημα της δειγματοληψίας του Nyquist ορίζει πως για να μην υπάρχει αλλοίωση στο περιεχόμενο ενός σήματος κατά την δειγματοληψία του, πρέπει η συχνότητα με την οποία θα γίνει η διαδικασία αυτή να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την μέγιστη συχνότητα η οποία μπορεί να περιέχεται στο σήμα. Το σήμα φωνής έχει μέγιστη συχνότητα περίπου 4 ΚHz περίπου => χρειαζόμαστε τουλάχιστον f s= 8 ΚHz Ένα ηχητικό σήμα ψηλής ποιότητας μπορεί να περιέχει συχνότητα μέχρι τα 20 ΚHz περίπου => χρειαζόμαστε τουλάχιστον f s= 40 ΚHz

Κβαντισμός (Quantization) Οι τιμές ενός σήματος διακριτού χρόνου είναι αναλογικές. Μετατρέπονται σε ψηφιακές με κβαντισμό. Με τον κβαντισμό περιορίζουμε το πεδίο τιμών σε ένα σύνολο πεπερασμένου αριθμού Μ τιμών. Η ευκρίνεια του σήματος εξαρτάται / καθορίζεται από τον αριθμό Μ. Αυτές οι τιμές μπορούν να αναπαριστούν με δυαδικούς αριθμούς (αποτελούνται από 0 και 1) τους οποίους επεξεργάζεται ένας υπολογιστής.

Παράδειγμα: Μ = 9 Ψηφιακό σήμαΣήμα διακριτού χρόνου

Δυαδική Αναπαράσταση Ήχου Δειγματοληψία Κβαντισμός Κωδικοποίηση

Διαχωρισμός Σημάτων Αναλογικό σήμα (analog signal): συνεχής συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη μεταβλητή και η εξαρτημένη μεταβλητή παίρνουν συνεχές τιμές. Σήμα διακριτού χρόνου (discrete-time signal): συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη μεταβλητή παίρνει διακριτές τιμές και η εξαρτημένη μεταβλητή παίρνει συνεχές τιμές. Ψηφιακό σήμα (digital signal): συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη μεταβλητή και η εξαρτημένη μεταβλητή παίρνουν διακριτές τιμές Δυαδικό σήμα (binary signal): στοιχειοσειρά που αποτελείται από τα δυαδικά ψηφία 0 και 1

Παράδειγμα Σήμα αποθηκευμένο σε μουσικό οπτικό δίσκο CD Για την αποθήκευση του σήματος χρησιμοποιούνται λέξεις των 16bit δηλαδή η τιμή του σήματος μπορεί να πάρει μια ένδειξη ανάμεσα σε 2 16 = τιμές δειγματοληψία με f s= 44.1 ΚHz δηλαδή δείγματα ανά λεπτό για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής δείγματα / sec x 16 bits /δείγμα = bits /sec Για 60 λεπτά μουσικής έχουμε (60 min) x (60 sec / min) x ( bits /sec) x 2 channels = = bits !

Στην συνέχεια … Σύστημα Τηλεφώνου Βασικά στοιχεία και τύποι συστήματος αναλογικό, ψηφιακό ενσύρματο, ασύρματο (κινητό και δορυφορικό)