007 8
Download
Skip this Video
Download Presentation
ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 28

ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8 - PowerPoint PPT Presentation


  • 113 Views
  • Uploaded on

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

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' ΗΜΥ 007 – Τεχνολογία Πληροφορίας Διάλεξη 8' - gracie


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

slide2
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
slide3
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
slide4
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

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]

slide7
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
slide8
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

slide9
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
slide11
Φάσμα γνήσιου τόνου

Χαρακτηριστική συχνότητα γνήσιου τόνου (μία συχνότητα)

Πλάτος

Συχνότητα [Hz]

Χρόνος [s]

slide12
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).

slide13
Φάσμασήματος φωνής

Μέγιστη συχνότητα

Εύρος ζώνης (bandwidth)

Μέγιστη συχνότητα

Χρόνος [s]

Συχνότητα [Hz]

slide14

Αναλογικό/ψηφιακός μετατροπέας (A/D converter)

Δειγματολήπτης

Κβαντιστής

Μετατροπή Ηχητικού Σήματος
  • Ένα αναλογικό σήμα μπορεί να μετατραπεί σε ένα ψηφιακό σήμα

(στρογγυλοποίηση)

slide15

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).
slide18
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.
slide20
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)
slide21
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.
slide23
Παράδειγμα: Μ = 9

Σήμα διακριτού χρόνου

Ψηφιακό σήμα

slide24
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

slide26
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.)
slide27
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.)
slide28
Στην συνέχεια…
  • Σύστημα Τηλεφώνου
  • Βασικά στοιχεία και τύποι συστήματος
    • αναλογικό, ψηφιακό
    • ενσύρματο, ασύρματο (κινητό και δορυφορικό)
ad