ELEC-C5340 - Sovellettu digitaalinen signaalinkäsittely. Äänisignaalien näytteenotto ja kvantisointi Dither Oskillaattorit Digitaalinen suodatus



Samankaltaiset tiedostot
Digitaalinen Signaalinkäsittely T0125 Luento

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

1 Diskreettiaikainen näytteistys. 1.1 Laskostuminen. Laskostuminen

ELEC-C5070 Elektroniikkapaja (5 op)

Signaalien datamuunnokset. Digitaalitekniikan edut

Signaalien datamuunnokset

Alias-ilmiö eli taajuuden laskostuminen

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

LASKOSTUMISEN HAVAITSEMINEN SAHA-AALLOSSA

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Virheen kasautumislaki

T SKJ - TERMEJÄ

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Alla olevassa kuvassa on millisekunnin verran äänitaajuisen signaalin aaltomuotoa. Pystyakselilla on jännite voltteina.

1. Määritä pienin näytelauseen ehdon mukainen näytetaajuus taajuus seuraaville signaaleille:

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Kompleksiluvut signaalin taajuusjakauman arvioinnissa

Laskuharjoitus 4 ( ): Tehtävien vastauksia

Tuntematon järjestelmä. Adaptiivinen suodatin

Puheenkoodaus. Olivatpa kerran iloiset serkukset. PCM, DPCM ja ADPCM

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Suodatus 1 (ver 1.0) Jyrki Laitinen

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

11. kierros. 1. Lähipäivä

puheen laatu kärsii koodauksesta mahdollisimman vähän. puhe pakkautuu mahdollisimman pieneen määrään bittejä.

1. Perusteita Äänen fysiikkaa. Ääniaalto. Aallonpituus ja amplitudi. Taajuus (frequency) Äänen nopeus

Alipäästösuotimen muuntaminen muiksi perussuotimiksi

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Successive approximation AD-muunnin

LABORATORIOTYÖ 2 A/D-MUUNNOS

Vastekorjaus (ekvalisointi) Lähteet: Zölzer. Digital audio signal processing. Wiley & Sons. Zölzer (ed.) DAFX Digital Audio Effects. Wiley & Sons.

SGN Signaalinkäsittelyn perusteet Välikoe Heikki Huttunen

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

A/D-muuntimia. Flash ADC

SÄÄTÖJÄRJESTELMIEN SUUNNITTELU

Muuntavat analogisen signaalin digitaaliseksi Vertaa sisääntulevaa signaalia referenssijännitteeseen Sarja- tai rinnakkaismuotoinen Tyypilliset

Mitä on signaalien digitaalinen käsittely

Digitaalinen signaalinkäsittely Johdanto, näytteistys

AD/DA muunnos Lähteet: Pohlman. (1995). Principles of digital audio (3rd ed). Zölzer. (1997). Digital audio signal processing

SGN Signaalinkäsittelyn perusteet Välikoe Heikki Huttunen

Signaalien digitaalinen käsittely

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA OSA 2

Johdanto tieto- viestintäteknologian käyttöön: Äänitystekniikka. Vfo135 ja Vfp124 Martti Vainio

Flash AD-muunnin. Ominaisuudet. +nopea -> voidaan käyttää korkeataajuuksisen signaalin muuntamiseen (GHz) +yksinkertainen

Virtuaalista nostalgiaa digitaalinen vähentävä äänisynteesi

Radioamatöörikurssi 2013

SGN-4200 Digitaalinen audio

6. Analogisen signaalin liittäminen mikroprosessoriin Näytteenotto analogisesta signaalista DA-muuntimet 4

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

T DSP: GSM codec

Signaalinkäsittelyn sovellukset

Digitaalitekniikan matematiikka Luku 1 Sivu 1 (19) Johdatus digitaalitekniikkaan

VIRTUAALIANALOGIASYNTEESIN LYHYT HISTORIA 1 JOHDANTO

Hyvyyskriteerit. ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

TL5503 DSK, laboraatiot (1.5 op) Audiosignaalit (ver 1.0) Jyrki Laitinen

SGN Bachelor's Laboratory Course in Signal Processing ELT Tietoliikenne-elektroniikan työkurssi. Äänitaajuusjakosuodintyö ( )

Yleistä. Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet. Tentit. Kurssin hyväksytty suoritus = Harjoitustyö 2(2) Harjoitustyö 1(2)

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

Digitaalinen audio & video I

Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

Pianon äänten parametrinen synteesi

Radioamatöörikurssi 2015

Esipuhe. Tampereella, 9. toukokuuta 2003, Heikki Huttunen

: Johdatus signaalinkäsittelyyn 2

Tietoliikennesignaalit & spektri

Yksinkertaisin järjestelmä

TL5231, Signaaliteoria (S2004) Matlab-harjoituksia

Signaalinkäsittelyn menetelmät

Digitaalinen Audio & Video I

Uuden sukupolven HF-kommunikaatiotekniikka

Radioamatöörikurssi 2017

IIR-suodattimissa ongelmat korostuvat, koska takaisinkytkennästä seuraa virheiden kertautuminen ja joissakin tapauksissa myös vahvistuminen.

Y Yhtälöparista ratkaistiin vuorotellen siirtofunktiot laittamalla muut tulot nollaan. = K K K M. s 2 3s 2 KK P

Digitaalinen audio

T Digitaalinen signaalinkäsittely ja suodatus

Suodattimet. Suodatintyypit: Bessel Chebyshev Elliptinen Butterworth. Suodattimet samalla asteluvulla (amplitudivaste)

2. kierros. 2. Lähipäivä

5. Z-muunnos ja lineaariset diskreetit systeemit. z n = z

Luento 8. Suodattimien käyttötarkoitus

Heikki Huttunen Signaalinkäsittelyn perusteet

Digitaalinen audio & video, osa I. Johdanto. Digitaalisen audion sovellusalueet. Johdanto. Taajuusalue. Psykoakustiikka. Johdanto Digitaalinen audio

OPERAATIOVAHVISTIN. Oulun seudun ammattikorkeakoulu Tekniikan yksikkö. Elektroniikan laboratoriotyö. Työryhmä Selostuksen kirjoitti

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

Taajuustason tekniikat: Boden ja Nyquistin diagrammit, kompensaattorien suunnittelu. Vinkit 1 a

MATKAPUHELINKAIUTTIMIEN TAAJUUSVASTEISTA JA SÄRÖKÄYT- TÄYTYMISESTÄ 1 JOHDANTO 2 ANALYYSIMENETELMÄT

1 Tarkastellaan digitaalista suodatinta, jolle suurin sallittu päästökaistavärähtely on 0.05 db ja estokaistalla vaimennus on 44 db.

FIR suodinpankit * 1 Johdanto

Radioamatöörikurssi 2014

Signaalien generointi

Teknillinen korkeakoulu, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio PL 3000, TKK, Espoo

3. kierros. 2. Lähipäivä

H(s) + + _. Ymit(s) Laplace-tason esitykseksi on saatu (katso jälleen kalvot):

SAMETTIKOHINA 1 JOHDANTO 2 SAMETTIKOHINAN SYNTEESI. Vesa Välimäki 1, Heidi-Maria Lehtonen 1 ja Jari Kleimola 2

SGN-1251 Signaalinkäsittelyn sovellukset Välikoe Heikki Huttunen

ELEC-C1230 Säätötekniikka. Luku 8: Säädetyn järjestelmän hyvyys aika- ja taajuustasossa, suunnittelu taajuustasossa, kompensaattorit

Perusmittalaitteet. Oskilloskooppi. Oskilloskooppi. Mittaustekniikan perusteet / luento 3. Oskilloskooppi. Oskilloskooppi

Dynaamisten systeemien identifiointi 1/2

Transkriptio:

L1: Audio Prof. Vesa Välimäki ELEC-C5340 - Sovellettu digitaalinen signaalinkäsittely Luennon sisältö Äänisignaalien näytteenotto ja kvantisointi Dither Oskillaattorit Digitaalinen suodatus Lyhyt FIR-suodin Resonaattori 2 1

Näytteenotto signaalista Kuva kirjasta: Rossin, Moore & Wheeler, The Science of Sound. Third Edition. 2002 3 Signaalin muuttaminen digitaaliseksi 1) Otetaan aaltomuodosta näytteitä tasavälein (näytteenotto) 2) Kunkin näytteen arvo esitetään lukuna (kvantisointi) Nyquist-kriteeri: näytetaajuuden fs oltava vähintään 2- kertainen korkeimpaan taajuuteen nähden Esim. jos korkein taajuus on 20 khz, näytetaajuuden oltava vähintään 40 khz fs/2 = Nyquist-raja 4 2

Dynamiikka Dynamiikka = signaalissa esiintyvän hiljaisimman ja voimakkaimman äänen suhde Dynamiikka riippuu kvantisoinnista eli bittimäärästä Esim. 16 bitillä lukualue on -32768 32767 ja dynamiikka noin 96 db (= 20log[2 16 ]) Peukalosääntö: 1 bitin lisäyksellä +6 db dynamiikkaa Kuulon dynamiikka on n. 120 db Kuulokynnys on keskitaajuuksilla n. 0 db Kipukynnys on n. 120 db 20 bitillä saadaan 120 db dynamiikka CD-järjestelmässä 16 bittiä Äänitysstudioissa käytetään 24 bittiä 5 Kvantisointivirhe Digitaalitallennuksessa äärellinen määrä näytearvoja Esim. 16-bittinen kvantisointi: 2 16 = 65536 eri arvoa Joudutaan pyöristämään, mikä aiheuttaa säröä Kvantisointivirhe = signaaliarvon ja kvantisointitason ero Virhe enintään puolet kvantisointiaskeleesta 6 3

Bittimäärän vaikutus äänenlaatuun Musiikkisignaali eri bittimäärillä 1) 16 b (alkuperäinen) 2) 8 b 3) 6 b 4) 4 b 5) 3 b 6) 16 b (alkuperäinen) 7 Dither Dither on pientasoista kohinaa, joka lisätään signaaliin ennen näytteenottoa (Lipschitz et al., 1992) Kvantisointivirhe muuttuu satunnaiseksi Särö muuttuu korreloimattomaksi kohinaksi 8 4

Kvantisointi ilman ditheriä 2 1.5 Siniääni 1 0.5 0-0.5-1 Kvantisointu siniääni -1.5-2 0 20 40 60 80 100 9 Kvantisointi ditherillä 2 1.5 Ditteröity siniääni 1 0.5 0-0.5-1 Kvantisoitu ditteröity siniääni -1.5-2 0 20 40 60 80 100 10 5

Äänen rekonstruointi Lukujonon voi muuttaa ääneksi DA-muuntimella ja suodattimella Pitopiiri tekee lukujonosta porraskäyrän Alipäästösuodin, joka poistaa Nyquist-rajaa korkeammat taajuudet (esim. >20 khz) pehmentäen aaltomuodon 11 Laskostuminen (aliasing) Kun näytteenotto on liian hidas, eritaajuiset signaalit tuottavat saman lukujonon! vrt. western-elokuvien väärään suuntaan pyörivät kärrynpyörät, ks. http://www.michaelbach.de/ot/mot_wagonwheel/ ja http://en.wikipedia.org/wiki/wagon-wheel_effect 12 6

Laskostuminen (aliasing) Näytetaajuus fs = 44 khz: 22 khz (Nyquist-rajataajuus) 33 khz 11 khz 44 khz 0 Hz 55 khz 11 khz Laskostuminen vältetään suodattamalla liian korkeat (> fs/2) äänet pois ennen näytteenottoa (alipäästösuodatus) 13 Oskillaattorit äänisynteesissä Vähentävässä synteesissä oskillaattorit laskostavat, jos aaltomuodot näytteistetään sellaisenaan 14 7

Saha-aallon laskostuminen Näytteistetyn sahaaallon laskostuminen perustaajuuden kasvaessa Harmoniset peilautuvat Nyquistin rajataajuudesta takaisin Video by Andreas Franck, 2012 15 Saha-aalto ilman laskostumista Laskostuminen vältetään tuottamalla saha-aalto additiivisella synteesillä: Jokainen harmoninen luodaan erikseen Video by Andreas Franck, 2012 16 8

DPW-oskillaattori Saha-aalto-oskillaattorin laskostumista voidaan vaimentaa peräkkäisillä integrointi- ja derivointioperaatioilla (Välimäki 2005, Välimäki & Huovilainen 2006) H(z) = c (1 z 1 ) missä c = f s /4f 17 DPW-oskillaattori fghfg Modulolaskurin lähtö x(n) Triviaali saha-aalto Neliöity signaali x 2 (n) Saha-aallon integraali on paraabeliaalto Erosignaali c[x 2 (n) x 2 (n 1)] Viereisten näytteiden erotus 1 0-1 0 10 20 30 40 50 1 0.5 0 0 10 20 30 40 50 1 0-1 0 10 20 30 40 50 Discrete time 18 9

DPW-oskillaattorin spektri fghfg O Harmoniset Nyquist-raja (22050 Hz) Modulolaskurin lähtö x(n) Triviaali saha-aalto Neliöity signaali x 2 (n) Saha-aallon integraali on paraabeliaalto Erosignaali c[x 2 (n) x 2 (n 1)] Viereisten näytteiden erotus Level (db) Level (db) Level (db) 0-20 -40-60 0 5 10 15 20 0-20 -40-60 0 5 10 15 20 0-20 -40-60 0 5 10 15 20 Frequency (khz) 19 Saha-aaltoalgoritmien vertailu Liu utus (engl. pitch bend) 1. Triviaali saha-aalto (modulolaskurista) 2. DPW-saha-aalto 3. Ideaalinen saha-aalto (additiivinen synteesi) f s = 44.1 khz 20 10

DPW-saha-aallon spektri DPW-algoritmi vähentää saha-aallon laskostumista eniten pienillä taajuuksilla Kuulo on herkkä juuri noilla taajuuksilla: siksi subjektiivinen parannus on suuri Video by Andreas Franck, 2012 21 Digitaalinen suodatus Digitaalisia signaaleita voidaan suodattaa kuten analogisia Suodattimien kaksi päätyyppiä 1) FIR-suotimet Myötäkytketty rakenne Tekee taajuusvasteeseen kuoppia (nollat) 2) IIR-suotimet Rakenteessa takaisinkytkentä Tekee taajuusvasteeseen korostumia (navat) 22 11

FIR-suodatin FIR = Finite Impulse Response Impulssivaste = Suodattimen lähtösignaali, joka saadaan kun tulosignaali x(n) on yksikköimpulssi Yksikköimpulssi = Signaali, jonka 1. näyte on 1 ja muut nollia FIR-suodattimen impulssivaste h(n) koostuu sen kertoimista x(n) z -1 z -1 z -1 h(0) h(1) h(2)... h(n) y(n) 23 Ensimmäisen asteen FIR-suodatin Tulosignaaliin lisätään sen viivästetty ja skaalattu kopio Kertoimet h 1 ja h 2 painottavat tuloa ja viivästettyä tuloa Differenssiyhtälö: y(n) = h 1 x(n) + h 2 x(n 1) x(n) Impulssivaste: [h 1 h 2 ] Z-muunnos: Y(z) = h 1 X(z) + h 2 X(z)z -1 = [h 1 + h 2 z -1 ]X(z) Siirtofunktio: H(z) = h 1 + h 2 z -1 Taajuusvaste (sijoita edelliseen: z = e j ) H(e j ) = Y(e j )/ X(e j ) = h 1 + h 2 e j z -1 h 1 h 2 y(n) 24 12

Magnitudivasteen geometrinen tulkinta Magnitudivaste H(e j ) on vektoripituus z-tasossa Magnitudivasteen voi määrittää kulkemalla yksikköympyrällä ja mittaamalla etäisyyden nollakohtaan H ( e j ) Kuva kirjasta: Ken Steiglitz, A Digital Signal Processing Primer with Applications to Digital Audio and Computer Music, Addison-Wesley, 1996. 25 FIR-suodattimen magnitudivaste 1. asteen FIR-suodattimien magnitudvaste: H( ) = h 12 + h 2 2 + 2h 1 h 2 cos( ) 1/2 Example: h 1 = 1 h 2 = 0.99 26 13

Musiikin FIR-suodatus Äänisignaali suodataan FIR-suodattimella H(z) = h 1 + h 2 z -1, missä h 1 = 1 ja h 2 vaihtuu 1) Alkuperäinen 2) Suodatus kun h 2 = 1.0 3) Suodatus kun h 2 = 0.9 4) Suodatus kun h 2 = 0.5 5) Alkuperäinen 6) Suodatus kun h 2 = 0.5 7) Suodatus kun h 2 = 0.9 8) Suodatus kun h 2 = 1.0 9) Alkuperäinen 27 IIR-suodin IIR = Infinite Impulse Response Impulssivaste on (teoriassa) äärettömän pituinen Yleensä impulssivaste vaimenee nollaan IIR-suodinrakenne perustuu takaisinkytkentään Siirtofunktiossa on nollien lisäksi napoja x (n) y(n) 1 z 1 z 1 z a N a N 1 a 1 a1 a N 1 a N 1 z 1 z 1 z 28 14

Yhden navan IIR-suodin Lisää tulosignaaliin lähtösignaalin viivästetty kopio Takaisinkytkentäkertoimen itseisarvo ei saa ylittää 1:tä! Differenssiyhtälö: y(n) = x(n) + a 1 y(n 1) Z-muunnos: Y(z) = X(z) + a 1 Y(z)z 1 Siirtofunktio: H(z) = 1/(1 a 1 z 1 ) Taajuusvaste: H(e j ) = 1/(1 a 1 e j ) x(n) a 1 z -1 Vuotava integraattori (kun 0 < a 1 < 1) y(n) 29 IIR-suodattimen magnitudivaste Magnitudivaste: H( ) = 1 / 1 a 1 e j Nimittäjän nollakohta eli napa Geometrinen tulkinta Merkitse napa z-tasoon Kulje yksikköympyrää nollasta :hin Mittaa etäisyys navasta Laske etäisyyden käänteisarvo 30 15

IIR-suodattimen magnitudivaste 1. asteen IIR-suodattimen magnitudivaste on H( ) = g / 1 a 1 e j, missä g on vahvistus DC-vahvistus* pysyy vakiona kun valitaan g = 1 a 1 *DC-vahvistus = Vahvistus taajuudella 0 Hz 31 Musiikin IIR-suodatus Äänisignaali suodataan IIR-suodattimella H(z) = g/(1 a 1 z -1 ), missä a 1 vaihtuu 1) Alkuperäinen 2) Suodatus kun a 1 = 0,9 3) Suodatus kun a 1 = 0,99 4) Suodatus kun a 1 = 0,999 5) Alkuperäinen 6) Suodatus kun a 1 = 0,9 7) Suodatus kun a 1 = 0,99 8) Suodatus kun a 1 = 0,999 9) Alkuperäinen 32 16

Resonanssi Korostuma magnitudivasteessa Esim. formantti tai värähtelevän rakenteen moodi Resonanssin terävyyttä kuvaa kaistanleveys: Niiden taajuuspisteiden väli, joissa magnitudivaste on 3 db huipusta Muut ominaisuudet: keskitaajuus & huippuvahvistus Q-arvo: Q = keskitaajuus / kaistanleveys (Suuri Q-arvo terävä resonanssi, pieni Q-arvo leveä resonanssi) 33 Resonanssi ja napasäde Resonanssi tuotetaan navalla, joka on lähellä 1-ympyrää Etäisyys voidaan arvioida kaistanleveydestä: R 1 B/2 missä B = 2 f ja f on normalisoitu taajuus (f = 1 vastaa näytetaajuutta) Vaihtoehtoinen kaava: R 1 f Esimerkki: f s = 44.1 khz ja kaistanleveys on 20 Hz: R 1 (20/44100) = 0,998575 34 17

Digitaalinen resonaattori Resonaattorit yleisiä audiosignaalinkäsittelyssä Parametriset ekvalisaattorit, vähentävä synteesi, formattisuodattimet Yhden resonanssin tuottamiseen käytetään napaparia (napa ja sen kompleksikonjugaatti) Taajuusvaste: H(z) = 1 / (1 Re j z 1 ) (1 Re j z 1 ) tai H(z) = 1 / (1 2Rcos( )z 1 + R 2 z 2 ) Differenssiyhtälö on helppo johtaa 35 Digitaalinen resonanssi Esimerkkejä 2. asteen IIR-suodattimen magnitudivasteesta (DC-skaalaus) 36 18

Digitaalisen resonaattorin suunnittelu Yleensä riittää kun valitaan taajuus ja säde R on resonanssitaajuus ja R = 1 B/2 napasäde Pienillä taajuuksilla napa ja sen peilikuva ovat lähekkäin ja häiritsevät huipun muodostumista Huippu ei olekaan täsmälleen taajuudella! 37 Matlab-demo: resonaattori 38 19

Nolla-naparesonaattori Parannellun resonaattorin siirtofunktio (nollat z = ±1) H(z) = (1 z 2 ) / (1 2Rcos( )z 1 + R 2 z 2 ) Ehdottivat Smith & Angell (1982) Motivaatio oli resonanssitaajuuden pyyhkäisy pitäen kaistanleveys ja vahvistus vakiona 39 Yhteenveto Näytteenottotaajuuden oltava riittävän korkea ja/tai signaalin alipäästösuodatettava jottei synny laskostumista Dither muuttaa kvantisointisärön kohinaksi Oskillaattoreissa laskostuminen voi heikentää äänenlaatua FIR-suodattimet painottavat viivästettyjä näytteitä ja suodattavat siten signaalin IIR-suodattimissa on takaisinkytkentä, jolla vahvistetaan tiettyjä taajuuksia (navat, resonanssitaajuudet) 40 20

Lähteitä S. Lipschitz, R. A. Wannamaker & J. Vanderkooy, Quantization and dither: a theoretical survey, Journal of the Audio Engineering Society, vol. 40, no. 5, pp. 355, 1992. J. O. Smith and J. B. Angell, A constant-gain digital resonator tuned by a single coefficient, Computer Music Journal, vol. 6, no. 4, pp. 36 40, 1982. K. Steiglitz, A Digital Signal Processing Primer with Applications to Digital Audio and Computer Music, Addison-Wesley, 1996. V. Välimäki, Discrete-Time Synthesis of the Sawtooth Waveform with Reduced Aliasing, IEEE Signal Processing Letters, vol. 12, no. 3, pp. 214-217, March 2005. V. Välimäki & A. Huovilainen, Oscillator and Filter Algorithms for Virtual Analog Synthesis, Computer Music Journal, vol. 30, no. 2, pp. 19-31, summer 2006. 41 21