007 8
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 28

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8 PowerPoint PPT Presentation


  • 79 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8. Ηχητική Πληροφορία. T ΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ. Περίληψη. Θέματα για σήμερα Δημιουργία ηχητικού σήματος Χαρακτηριστικά ηχητικού σήματος Συχνότητα, πλάτος , φάσμα, εύρος ζώνης

Download Presentation

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


007 8

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία ΠληροφορίαςΔιάλεξη 8

Ηχητική Πληροφορία

TΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ


007 8

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


007 8

Υλικό Αναφοράς

  • Cyganski, D., Orr, A. O., and Vaz, R. F., Information Technology Inside and Outside, Prentice Hall, 2001,

    • Κεφ. 10, σελίδες 150-163

    • Κεφ. 11, σελίδες 164-165

    • Κεφ. 12, σελίδες 172-179

    • Demos στο CD

  • Ήχος

    • http://www.clab.edc.uoc.gr/physics/sound/sound_1.htm

  • Ήχος και ηχητικά πρότυπα

    • http://danaos.cslab.ntua.gr/~ekall/Science/personal_docs/ixos.htm

  • Ταμικρόφωνακαιεμείς

    • http://www.zainea.com/micro.htm

  • Σύλληψη του ήχου και ψηφιοποίηση του αναλογικού σήματος

    • http://www.geocities.com/ResearchTriangle/Campus/8308/Audio.html


007 8

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


007 8

Παράδειγμα ηχητικού σήματος

ν(τ)

[V]

Χρόνος τ [ms]


Pure tone

Γνήσιος Τόνος (pure tone) – Απλός Ήχος

  • 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

κορυφή

Σημείωση: s – second

ms – millisecond

τ [s]


007 8

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


007 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


007 8

Απλοί και σύνθετοι ήχοι

Φλάουτο

Διαπασών

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.


Spectrum

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


007 8

Φάσμα γνήσιου τόνου

Χαρακτηριστική συχνότητα γνήσιου τόνου (μία συχνότητα)

Πλάτος

Συχνότητα [Hz]

Χρόνος [s]


007 8

Φάσμα μουσικής νότας

Χαρακτηριστική συχνότητα

Πλάτος

Συχνότητα [Hz]

Χρόνος [s]

Συχνότητες που είναι ακέραια

πολλαπλάσια της χαρακτηριστικής

συχνότητας της συγκεκριμένης νότας (καθορίζουν την χροιά του ήχου).


007 8

Φάσμασήματος φωνής

Μέγιστη συχνότητα

Εύρος ζώνης (bandwidth)

Μέγιστη συχνότητα

Χρόνος [s]

Συχνότητα [Hz]


007 8

Αναλογικό/ψηφιακός μετατροπέας (A/D converter)

Δειγματολήπτης

Κβαντιστής

Μετατροπή Ηχητικού Σήματος

  • Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να μετατραπεί σε ένα ψηφιακό σήμα

(στρογγυλοποίηση)


007 8

D/A

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.

Σύστημα

A/D

Ψηφιακής

Επεξεργασίας


Sampling

Δειγματοληψία (Sampling)

Αναλογικό σήμα

Σήμα διακριτού χρόνου


Sampling1

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).


007 8

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.


007 8

Τριγωνικό σήμα

Αναγνώριση Σήματος από Δείγματα


007 8

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=44.1ΚHz

      • δηλαδή 44100 δείγματα ανά δευτερόλεπτο για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής

      • => παίρνουμε την τιμή του σήματος μία φορά κάθε 1/(44100) = 23 ms (milliseconds)


007 8

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.)


Quantization

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.


007 8

Παράδειγμα: Μ = 9

Σήμα διακριτού χρόνου

Ψηφιακό σήμα


007 8

Δυαδική Αναπαράσταση Ήχου

Κωδικοποίηση

Κβαντισμός (στρογγυλοποίηση)

Δειγματοληψία


D a converter

Αναπαραγωγή Ήχου με Ψηφιακό/Αναλογικό Μετατροπέα (D/A Converter)

Zero-order hold

Filter

Σκαλωτό αναλογικό σήμα

Ψηφιακό σήμα

Ομαλό αναλογικό σήμα


007 8

Διαχωρισμός Σημάτων

  • Αναλογικό σήμα (analog signal): συνεχής συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη μεταβλητή και η εξαρτώμενη μεταβλητή παίρνουν συνεχές τιμές.

  • Σήμαδιακριτού χρόνου (discrete-time signal): συνάρτηση στην οποία η ανεξάρτητη μεταβλητή παίρνει διακριτές τιμέςκαι 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.)


007 8

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=65.536 τιμές

  • Δειγματοληψία με fs=44.1 ΚHz

    • δηλαδή 44.100 δείγματα ανά δευτερόλεπτό για ακριβή αναπαραγωγή της μουσικής

  • 44.100 δείγματα / sec x 16 bits /δείγμα = 705.600 bits /sec

  • Για 60 λεπτά μουσικής στέρεο (όσα χωρεί ένα CD)έχουμε:

    (60 min)x (60 sec / min) x (705.600 bits /sec) x 2 channels =

    = 5.080.320.000 bits !

  • (Μπορούμε να συμπιέσουμε με απώλειες τις ηχητικές πληροφορίες, π.χ. χρησιμοποιώντας το ηχητικό πρότυπο MP3.)


007 8

Στην συνέχεια…

  • Σύστημα Τηλεφώνου

  • Βασικά στοιχεία και τύποι συστήματος

    • αναλογικό, ψηφιακό

    • ενσύρματο, ασύρματο (κινητό και δορυφορικό)


  • Login