ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8

Παρουσίαση με θέμα: "ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8 Ηχητική Πληροφορία TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ

2 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

3 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 Ήχος Ήχος και ηχητικά πρότυπα Τα μικρόφωνα και εμείς Σύλληψη του ήχου και ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος

4 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 σαν ένα ελατήριο

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

6 Γνήσιος Τόνος (pure tone) – Απλός Ήχος
κορυφή κορυφή 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 Σημείωση: s – second ms – millisecond τ [s]

7 Φυσικά Χαρακτηριστικά του Ήχου
Συχνότητα (frequency – f ): - Καθορίζει πόσες ταλαντώσεις εκτελούνται σε μια 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 (ένταση): - 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

8 Απλοί και σύνθετοι ήχοι
Γνήσιοι τόνοι (Απλοί Ήχοι) Σύνθετοι Ήχοι f= 440 HZ f= 440 HZ Πλάτος / δύναμη ήχου f= 440 HZ f= 220 HZ Πλάτος

9 Απλοί και σύνθετοι ήχοι
Διαπασών Φλάουτο Βιολί Κονγκ 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 χαρακτηριστικής συχνότητας της συγκεκριμένης νότας. Το συγκεκριμένο μίγμα των διαφορετικών συχνοτήτων καθορίζουν την χροιά (timbre) ενός σύνθετου ήχου. Το βιολί και το φλάουτο μπορεί να παίζουν την ίδια νότα, αλλά η χροιά τους είναι διαφορετική.

10 Φάσμα συχνοτήτων (Spectrum)
Όλα τα σήματα μπορούν να δημιουργηθούν προσθέτοντας γνήσιους τόνους (απλούς ήχους) => ένα ηχητικό σήμα είναι το άθροισμα (σύνθεση) 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

11 Φάσμα γνήσιου τόνου Χαρακτηριστική συχνότητα γνήσιου τόνου (μία συχνότητα) Πλάτος Χρόνος [s] Συχνότητα [Hz]

12 Φάσμα μουσικής νότας Χαρακτηριστική συχνότητα Πλάτος Χρόνος [s]
Συχνότητα [Hz] Συχνότητες που είναι ακέραια πολλαπλάσια της χαρακτηριστικής συχνότητας της συγκεκριμένης νότας (καθορίζουν την χροιά του ήχου).

13 Φάσμα σήματος φωνής Μέγιστη συχνότητα Εύρος ζώνης (bandwidth)
Χρόνος [s] Συχνότητα [Hz]

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

15 Επεξεργασία Ηχητικών Σημάτων
Σύστημα D/A A/D Ψηφιακής Επεξεργασίας 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.

16 Δειγματοληψία (Sampling)
Αναλογικό σήμα Σήμα διακριτού χρόνου

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

18 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.

19 Αναγνώριση Σήματος από Δείγματα
Τριγωνικό σήμα

20 Ρυθμός Δειγματοληψίας
Εξαρτάται από το σήμα Σύγκρινε το ημιτονικό και το τριγωνικό σήμα στο προηγούμενο σχήμα Ψηλότερος ρυθμός είναι απαραίτητος για ένα σήμα που αλλάζει ραγδαία Εξαρτάται και από την εφαρμογή Στην τηλεφωνία ο ρυθμός δειγματοληψίας είναι fs= 8 ΚHz δηλαδή 8000 δείγματα ανά δευτερόλεπτο Για CD (compact disc) μουσικής χρησιμοποιείται fs= 44.1 ΚHz δηλαδή δείγματα ανά δευτερόλεπτο για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής => παίρνουμε την τιμή του σήματος μία φορά κάθε 1/(44100) = 23 ms (milliseconds)

21 Ρυθμός Δειγματοληψίας
Η ρυθμός δειγματοληψίας δεν είναι τυχαίος Το θεώρημα της δειγματοληψίας του Nyquist/Shannon ορίζει πως για να μην υπάρχει αλλοίωση στο περιεχόμενο ενός σήματος, πρέπει η συχνότητα με την οποία θα γίνει η δειγματοληψία να είναι τουλάχιστον διπλάσια από την μέγιστη συχνότητα η οποία μπορεί να περιέχεται στο σήμα. (Διαφορετικά έχουμε αναδίπλωση φάσματος – aliasing.) Το σήμα φωνής έχει μέγιστη συχνότητα περίπου 4 KHz => χρειαζόμαστε τουλάχιστον fs= 8 ΚHz Ένα ηχητικό σήμα ψηλής ποιότητας μπορεί να περιέχει συχνότητα μέχρι τα 20ΚHz περίπου => χρειαζόμαστε τουλάχιστον fs= 40 ΚHz . (Για το CD μουσικής χρησιμοποιείται fs= 44.1 KHz.)

22 Κβαντισμός (Quantization)
Οι τιμές ενός σήματος διακριτού χρόνου είναι αναλογικές (δηλαδή συνεχείς). Μετατρέπονται σε ψηφιακές με κβαντισμό (στρογγυλοποίηση) . Με τον κβαντισμό περιορίζουμε το πεδίο τιμών σε ένα σύνολο πεπερασμένου αριθμού Μ τιμών. Η ευκρίνεια του σήματος εξαρτάται / καθορίζεται από τον αριθμό Μ. (Όσο πιο μεγάλος τόσο λιγότερη η αλλοίωση («θόρυβος) λόγω κβαντισμού / στρογγυλοποίησης.) Αυτές οι τιμές μπορούν να αναπαρίστανται με δυαδικούς αριθμούς (που αποτελούνται από 0 και 1) τους οποίους επεξεργάζεται ένας υπολογιστής.

23 Παράδειγμα: Μ = 9 Σήμα διακριτού χρόνου Ψηφιακό σήμα

24 Δυαδική Αναπαράσταση Ήχου
Κωδικοποίηση Δειγματοληψία Κβαντισμός (στρογγυλοποίηση)

25 Αναπαραγωγή Ήχου με Ψηφιακό/Αναλογικό Μετατροπέα (D/A Converter)
Zero-order hold Filter Σκαλωτό αναλογικό σήμα Ψηφιακό σήμα Ομαλό αναλογικό σήμα

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

27 Παράδειγμα Σήμα αποθηκευμένο σε μουσικό οπτικό δίσκο CD
Για την αποθήκευση του σήματος χρησιμοποιούνται λέξεις των 16 bits δηλαδή η τιμή του σήματος μπορεί να πάρει μια ένδειξη ανάμεσα σε 216= τιμές Δειγματοληψία με fs= 44.1 ΚHz δηλαδή δείγματα ανά δευτερόλεπτό για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής δείγματα / sec x 16 bits /δείγμα = bits /sec Για 60 λεπτά μουσικής στέρεο (όσα χωρεί ένα CD) έχουμε: (60 min) x (60 sec / min) x ( bits /sec) x 2 channels = = bits ! (Μπορούμε να συμπιέσουμε με απώλειες τις ηχητικές πληροφορίες, π.χ. χρησιμοποιώντας το ηχητικό πρότυπο MP3.)

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