Digitalni audio #1

Dušan Petrović

EAK 2

Tehnologija digitalnog audija   Digitalni audio se za vrlo kratko vreme, od svega desetak godina razvio od

ezoterične i retko dostupne tehnologije slabih akustičkih svojstava u dominantni oblik rada sa zvukom. U suštini se radi o teorijski jednostavnom skupu tehnika za enkodiranje, procesiranje i reprodukciju numeričkih podataka o analognom signalu korišćenjem binarnog numeričkog sistema. Ovaj sistem (binarni) se koristi zbog efikasnosti i brzine u manipulaciji i pamćenju podataka. Po završenom procesiranju digitalni audio se uvek nanovo dekodira u analogni signal kako bismo mogli da čujemo rezultate obavljenog posla.

  Osnovne komponente analognog audio signala su: 1. frekvenca (visna) signala koja je vremenski domen signala i 2. amplituda (jačina) koja je domen nivoa signala. Digitalni audio se takođe može razdvojiti u dve odvojene komponente: 1. sampling (uzimanje uzoraka) što je vremenski domen i 2. kvantizacija što je domen nivoa signala.

EAK 3

Sampling   U domenu analognog audija signal predstavlja stalnu (kontinuiranu) promenu

nivoa napona. Kod digitalnog audija reč je o diskretnim (diskontinuiranim) periodičnog uzimanja uzoraka i njihovo pretvaranje u povorku binarnih podataka (reči).

Analogni signal Digitalizovani signal

  Kod digitalnog audija važan parametar predstavlja Sampling Rate (period uzimanja uzorka) što predstavlja količinu uzoraka u sekundi. Recipročno ovom je vreme uzimanja uzorka tj. vreme koje protekne između dva uzimanja uzorka. Tako za SR 44,1 kHz (što je standard kod audio CD-a) vreme uzimanja uzorka iznosi 1/44100 sekunde. Kako se radi o vremenskoj komponenti to istovremeno znači da od veličine SR zavisi frekventni opseg sistema odn. da veća vrednost SR-a znači i viši frekventni opseg dihgitalizovanog audija. Za izvođenje ovog procesa hardverski je zadužen ADC (Analog to Digitial Converter).

EAK 4

Nyquist-ova teorema   U najkraćem Nyquist-ova teorema kaže da SR mora biti najmanje dva puta veći

od najviše frekvence signala koji treba da bude digitalizovan. Ukoliko se dogodi da u toku procsa digitalizacije na ulaz dospeju frekvence veće od polovine SR-a dolazi do pojave koja se naziva aliasing. One ulaze u čujni opseg i stvaraju neželjenu harmonsku distorziju.

  Za eliminisanje lažnih frekvencija koristi se Low-pass filter i to postavljen neposredno pre AD konvertora. Po teroiji, idealan filter bio bi onaj koji ima potpuno strmu krivu tačno na polovini SR-a. Kako u praksi ne postoji takav filter onda se SR mora neznatno povećati kako bi njegova polovina obuhvatila pad filtera.

EAK 5

  Za popravljanje karakteristike filtera i eliminisanje alias frekvencija koristi se tehnika poznata kao Oversampling (ponovno uzimanje uzorka). Ova metoda utiče na smanjenje intermodulacije i drugih oblika distorzije. Ona se sastoji u povećanju SR-a unutar filterskog bloka AD-a za faktor množenja koji se kreće od 12 do 128 puta. Povećanje SR-a prati umetanje (interpoliranje) uzoraka između intervala predviđenog vremenom semplovanja. To omogućuje mnogo veći frekventni opseg sistema i kvalitetnije uzimanje uzoraka nego što to dozvoljava filter. Vraćanjem SR-a na originalnu vrednost (podeljenu za isti faktor) u efektu se dobija rezultat kao da je filter imao mnogo bolje karakteristike od postojećih jer dobija dodatni tranzijentni opseg.

EAK 6

Quantization   Kvantizacija predstavlja amplitudnu komponentu digitalnog signala. To je u

suštini tehnika kojom se analogna modulacija napona signala pretvara u nizove binarnih brojeva. Koliko će precizno ovaj proces da se odvija zavisi od rezolucije sistema odn. sa kolikom dužinom reči se opisuje dotična vrednost. Što je reč duža preciznije će biti zapisana informacija o vrednosti napona u datom trenutku. Povećavanje headroom-a omogućuje uspešnu eliminaciju grešaka kalkulacije. Trenutno je za profesionalni audio dostupna rezolucija od 16, 20 i 24 bita a mnogi procesori i efekti zvuka interno podižu na 32 ili čak 64 bita. S obzirom da se zapis grešaka osvija uglavnom u opsegu vrednosti koje teže LSB-u onda se na izlazu signala ovaj deo reči može odseći i tako u protok pustiti signal bez grešaka. Ovo navodi na zaključak da što je reč duža to je rezolucija sistema veća tj. u većem opsegu i sa većim brojem koraka u okviru njega se kreće merenje signala.

EAK 7

Odnos signal-greška   S obzirom da se prilikom očitavanja vrednosti kontinualnog analognog signala

ovaj kodira u diskretan niz binarnih brojeva moguće su greške vezane za dužinu reči odn. za njene limite o broju diskretnih koraka. Tako je svaki ovakav zapis aproksimacija originalne vrednosti analognog signala. Signal-greška digitalnog sistema je slična (mada ne ista) odnosu signal-šum kod analognog audija. Dok odnos signal-šum opisuje celokupan i sveobuhvatan dinamički opseg, dotle odnos signal-greška opisuje stepen tačnosti korišćene za enkodiranje digitalnog signala s obzirom na broj koraka koji on omogućuje. U dobro dizajniranom sistemu poželjna je relacija:

S/E = 6n + 1.8 dB gde je n dužina reči u bitovima Tako 16-bitni sistem dostiže 97.8 dB figure greške koja je za oko 30 dB ispod

figure šuma standardnih analognih magnetofona.

EAK 8

Dither   Diter je tehnika dodavanja male količine šuma koji maskira greške koje nastaju

pri smanjivanju rezolucije signala. Tako npr. Kada je snimanje i obrada signala obavljeno u 24-bitnoj rezoluciji onda se zbog kompatibilnosti sa Cd-om u procesu masterovanja mora spustiti na 16-bitnu rezoluciju. Odsecanje LSB orijentisanih bitova proizvodi malu ali čujnu grešku koja se maskira šumom na koji je uho psihoakustički potpuno adaptibilno. Količina šuma je mala i postojano ista kako svojom modulacijom ne bi skretala pažnju. Zanimljivo je kako ova mala količina šuma dostiže najpoželjnije rezultate u poređenju sa povećanom kvanitzacijskom distorzijom koja bi se bez maske čula.

EAK 9

Postupak digitalizacije   Proces snimanja: u svojoj najjednostavnijoj konfiguraciji lanac uređaja obuhvata low-pass

filter, sample-and-hold kolo, analog-to-digital komverter, multiplekser (kolo za kodiranje signala), procesor za korekciju greške i snimač modulacije.

  Najčešća forma digitalne modulacije je PCM. Gustina informacije u PCM je veoma velika, toliko da svaka nesavršenost (najmanje prisustvo prašine ili otisci prstiju na medijumu za čitanje/pisanje) generiše upozorenje zbog greške. Da bi se ove greške držale pod kontrolom sistem za korekciju greške didtem za korekciju koristi neki od algoritama razvijenih za rešavanje dvosmislenih situacija (interpolacija, redudantnost parova informacija i kontrolnih kodova i sl.

  Proces reprodukcije: u svemu simtreičan sa snimanjem ovaj se proces odvija u suprotnom smeru korak po korak kao prilikom snimanja signala.