Elektronik - digital signalbehandling
Föreläsning:
Hur låter
signalbehandling
Digitalt Ljud
Bengt Mandersson
Institutionen för elektro- och informationsteknik
2010-10-01
1
2008-10-06
Elektronik - digital signalbehandling
2
Signal och spektrum
PC-ljud
Ton från telefonen
Ljudexempel
från internet
2010-10-01
3
2010-10-01
4
1
Signaler
Signal och Spektrum
Signalbehandling, spektrogram
Hur ser ’signalbehandling’ ut?
‘s’
‘i’
‘s’
noise
‘g’ ‘n’
‘………………………’
‘i’
tonande ljud
2010-10-01
‘s’
5
Signalbehandling, spektrum
‘i’
‘g’ ‘n’
a
l ‘………………………’
2010-10-01
6
Vad kan vi ha signalbehandling till?
Signalbehandling, zoomat spektrogram
Spektrum
2010-10-01
7
2010-10-01
8
2
Ljudåtergivning
Innehåll
Digitalt Ljud
Signaler och frekvensspektrum
Demonstration på DSP
CD-spelare
g, p
princip
p
MP3-kodning,
Talkodning i mobiltelefon
2010-10-01
9
Sinussignaler och dess spektra
2010-10-01
10
Musikinstrument och dess spektra
Klarinett
Sinussignal (ren ton)
Signal (vågform)
Periodtid T0=1/440 s
Signal
Spektrum
Frekvens F0=1/ T0=440 Hz
Trombon
Harmonisk signal (vokalljud)
Signal (vågform)
Grundperiod T0=10 ms
2010-10-01
Spektrum
Signal
Spektrum
Spektrum
Grundfrekvensrekvens F0=1/ T0=100 Hz
11
2010-10-01
12
3
Vitt brus, färgat brus
Lyssna till ditt hjärta
Hjärta
Slumpmässiga signaler
EKG-signal
Spektrum
Vitt brus
Signal (vågform)
Spektrum
Så låter hjärtat
4 gånger så fort
Färgat brus
10 gånger så fort
Signal (vågform)
Spektrum
100 gånger så fort
Ännu fortare
Ännu fortare och lite mindre diskant
2010-10-01
13
Analog krets
2010-10-01
14
Digital krets, FIR
Analog krets, RC-krets
• Digital krets
(FIR, finite impulse response)
x[n]
x(t)
y(t)
krets
y[n]
Filter med ändligt långt minne (FIR)
y[n] = 0.8 x[n] + 0.2 x[n-1]
Kondensatorn har minne (lagrar spänning)
Kretsen beräknar ett viktat medelvärdet av de två senaste insignalvärdena.
K t
Kretsen
b
beskrivs
k i av diff
differensekvationen:
k ti
Kod körs varje gång ett nytt värde finns från A/D-omvandlaren
y ′(t ) + a y (t ) = b x (t )
2010-10-01
x=ADinput;
y=0.8*x + 0.2*xold;
xold=x;
DAoutput=y;
15
2010-10-01
16
4
Hårdvara för signalbehandling
Digital krets, IIR
• Digital krets
• Vilken hårdvara behövs för realtidstillämpningar av digitala
kretsar?
(IIR, infinite impulse response)
x[n]
krets
• Jo,
• vi behöver någon form av dator eller specialkrets samt
• A/D och D/A omvandlare.
y[n]
Filter med oändligt långt minne (IIR)
y[n] = 0.9 y[n-1] + x[n]
• Dessutom behövs oftast ett realtidsoperativsystem.
(’digital RC-krets’)
Kan vi göra digital signalbehandling i realtid själv?
Kod, körs varje gång ett nytt värde finns från A/D-omvandlaren
Ja, tex med ett DSP starters kit.
x=ADinput;
y=0.9*yold + x;
yold=y;
DAoutput=y;
2010-10-01
17
Digital Signal Processor (DSP)
2010-10-01
18
Digital Signal Processor (DSP)
DSP starters kit Texas Instruments DSK6713
Demo av syntetisk musik
Innehåller en DSP-krets (6713) flyttalsprocessor, minne, A/D D/A
Projekt i kursen ’Algoritmer i signalprocessorer
och USB-interface till PC. Program laddas från PC.
2010-10-01
19
2010-10-01
20
5
Trigonometri
Radio
Lite trigonometri från gymnasiet
• Bilder från Radioföreläsningen, Göran Jönsson
2 cos((a ) cos((b) = cos((a + b) + cos((a − b)
Multiplikation av cosinustermert ger alltså summa
och skillnadsvinkel
Detta används flitigt i all kommunikation
2 cos(2 π f1 n) cos(2 π f 2 n) = cos(2 π ( f1 + f 2 ) n) + cos(2 π ( f1 − f 2 ) n)
Vi får alltså summa och skillnadsfrekvens.
Vi visar detta med ett par exempel.
2010-10-01
21
Demo av SSB-modulation
2008-10-06
22
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’
2010-10-01
23
2010-10-01
24
6
Nya tillämpningar på digital signalbehandling
Akustisk eko i ett rum (från Mitra)
• Det är lite av detta som ett reverb ska efterlikna
2010-10-01
• Aktiv brusreducering i headset
25
Lagring av musik och komprimering
26
Vinylskivor, stenkakor
• Hastighet
Oförstörbar komprimering:
tex .zip
• Stenkaka
• EP
• LP
Förstörande komprimering:
Komprimering av bilder:
2010-10-01
jpeg
78 varv/min
45 varv/min
33 varv/min
• Måste rotera med konstant hastighet.
Skivtallriken måste vara ganska tung för att
undvika svaj. Drivning med hjälp av
gummiremmar.
Komprimering av musik: Tex MP3
Komprimering av rörliga bilder: MPEG
Komprimering i mobiltelefon: Signalmodell av
• Lång hållbarhet hos skivor men med
kontinuerligt minskande kvalitet. Repkänsligt.
resonanser i munnen (LPC)
MP3 är ljudkodningen i MPEG1
2010-10-01
27
2010-10-01
28
7
Ljud-CD
Musikkompression med mp3
Digital lagring
Varför MP3 och vilken är principen för MP3
Ljud-CD
j
•
•
•
•
•
44100 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.
•
Örat hör inte frekvenser som ligger nära andra starka toner
(frekvensmaskering).
•
Örat har bäst frekvensupplösning i talområdet, dvs 100-4000 Hz.
•
•
Grundidé: Använd låg detaljnivå för sådant som örat ändå inte hör!
Detta kräver frekvensuppdelning av signalen. Gör denna grövre utanför
talområdet.
Hållbarhetstid ’okänd’.
Inte repkänsligt.
2010-10-01
29
Frekvensmaskering 1
2010-10-01
30
Frekvensmaskering 2
’v’ (di di di da)
’v’ (di di di da)
sinus
sinus
’v’ + sinus
2010-10-01
’v’ + sinus
31
2010-10-01
32
8
Frekvensmaskering 3
Frekvensmaskering 4
’v’ (di di di da)
’v’ (di di di da)
Syntetisk
vokal
Syntetisk
vokal
’v’ + syntetisk
vokal
2010-10-01
’v’ + syntetisk
vokal
33
MP3-kodare
2010-10-01
MP3-avkodare
• Blockschema över MP3-avkodare
• Blockschema över MP3-kodare
2010-10-01
34
35
2010-10-01
36
9
MP3-exempel
Jämförelse CD och MP3
Exempel
320 kbit/s
50 min
(128MB)
23 %
128 kbit/s
2 h (128 MB)
CD
•
•
•
•
9%
•
32 kbit/s
9 h (128 MB)
2%
MP3
44100 Hz sampling
16 bitar
2 kanaler
1400 kbit/sekund =
10MByte/minut
CD rymmer: 70 min
•
•
•
•
•
”Intelligent” komprimering
Mono eller stereo
Fullt frekvensomfång
128 kbit/sekund =
0.96 MByte/minut
CD rymmer: 729 min
8 kbit/s
35 h (128 MB)
0.6 %
2010-10-01
37
Ljudkomprimering i mobiltelefon
2010-10-01
38
Modell för syntetiskt tal
Stämband
’Hårdvara’ för talproduktion
Munhåla,
läppar
Ljud ut
Pulståg
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).
2010-10-01
39
2010-10-01
40
10
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
2010-10-01
41
Talkodning i mobil, mottagarsida
2010-10-01
2010-10-01
42
Slut
43
2010-10-01
44
11
