Hangtechnika I. 5-8 Schiffer Ádám 2006.10.11.
A hangjelek digitalizálásának folyamata A hangfrekvenciás jelek digitális feldolgozása a PCM technika alkalmazásán alapul (PulseCode-Modulation; impulzuskód-moduláció). PCM rendszerben az analóg jelet diszkrét impulzusok sorozatára bontják. Az egyes impulzusok amplitúdóértékeinek információtartalmát binárisan kódolt kódszósorozatok hordozzák.
Analóg- digitális átalakítás Sávhatárolás Mintavétel Analóg- digitális átalakítás Kódolás PCM jel 1 10 Analóg jel
Impulzusamplitúdó-moduláció Az impulzuskód-modulációt meg kell hogy előzze egy impulzusamplitúdó-modulációs (Pulse Amplitude Modulation) eljárás, amelynek során az időben és értékben folyamatos analóg hangfrekvenciás jelet időben diszkrét impulzusok (minták) sorozatává alakítjuk át.
Impulzusamplitúdó-moduláció Az egyes PAM impulzusok amplitúdója a hangfrekvenciás jel pillanatértékének megfelelően természetesen más és más. Az időben folytonos analóg hangfrekvenciás jelet azért szükséges időben diszkrét minták sorozatává átalakítani, mert az analóg-digitális átalakító egyszerre csak egy amplitúdóértéket tud átalakítani.
Impulzusamplitúdó-moduláció A soron következő amplitúdóérték feldolgozása mindig csak azután kezdődhet el, amikor az aktuális amplitúdóérték átalakítása már befejeződött.
Impulzusamplitúdó-moduláció b) c) d)
Impulzusamplitúdó-moduláció Az egyes PAM impulzusokat mintavevő és –tartó (sample-and-hold) áramkörrel állítjuk elő Az analóg bemenőjelből gyorskapcsoló segítségével periodikusan mintákat veszünk A mintavétel során kapott amplitúdóértéket a következő mintavételig tartókondenzátor (holdkondenzátor) segítségével tároljuk. A tartókondenzátorban tárolt töltés által képviselt feszültség nagysága megegyezik a PAM impulzus amplitúdójával.
A mintavételi tétel Több tudós, így H. Nyquist és C. E. Shannon is foglalkozott ezzel a problémával a munkájában matematikailag bebizonyította, hogy a mintavétellel nyert diszkrét mintákból álló impulzussorozat információtartalma megegyezik az eredeti, időben folytonos analóg jel információtartalmával
A mintavételi tétel Ez a megállapítás azonban csak meghatározott feltételek teljesülése esetén érvényes Ezek a feltételek az ún. Shannon-féle mintavételi tételben vannak összefoglalva.
A mintavételi tétel A mintavétel útján nyert jelből akkor lehet az eredeti jelet információveszteség nélkül visszaállítani, ha az fm, mintavételi frekvencia értéke legalább kétszerese az eredeti analóg jelben előforduló legnagyobb (fmax) frekvenciának. A mintavételi frekvencia értékének állandónak kell lennie. Képletbe foglalva az elhangzottakat: fm 2fmax·
A mintavételi tétel Az eredeti analóg jelben megengedett maximális frekvenciaértéket (fmax) Nyquist-frekvenciának is nevezik Be nem tartása a tételnek az un. „Aliasing”,átlapolás.
A mintavételi tétel Példa: Az analóg hangfrekvenciás jel felső határfrekvenciáját 20 kHz-re választottuk. A mintavételi frekvenciát 35 kHz-re választva a 15...20 kHz frekvencia-tartományban átlapolódás jön létre az alapsáv és a zavaró oldalsáv között
A mintavételi tétel A gyűrődési torzítás igen szemléletes példája az a jelenség, ami a legtöbb olvasó előtt bizonyára nem ismeretlen pl. a westernfilmek nézésekor: amennyiben a vetített képen látható hintó vagy a kocsi küllős kereke gyorsabban forog a kamera 24 kép/s–os felvételi sebességénél, akkor a kereket visszafelé látjuk forogni.
A mintavételi frekvencia A mintavételi frekvencia a digitális hangtechnika legfontosabb paramétere. Ennek a frekvenciának az értéke határozza meg az átvinni kívánt hangfrekvenciás jel rekvenciatartományát és az átviteli csatorna sávszélességét. A digitális hangfeldolgozó rendszerben egységes mintavételi frekvenciára van szükség
A mintavételi frekvencia Amennyiben Hi-Fi hangminőség elérésére törekszünk, és a hangfrekvenciás jel felső határfrekvenciáját ennek megfelelően 20 kHz-re választjuk, akkor a mintavételi tétel értelmében a mintavételi frekvencia minimális értéke 40 kHz
A mintavételi frekvencia A digitális hangfeldolgozásban jelenleg az alábbi mintavételi frekvenciákat alkalmazzák: 44,1 kHz a kompaktlemezes rendszerben; 48 kHz az R-DAT kazettás magnetofonos rendszerben és a professzionális technikában; 32 kHz a tervezett digitális rádióadásoknál; 44,1 kHz (PAL), ill. 44,05 kHz (NTSC) a képmagnókon való PCM rendszerű jel rögzítéshez.
A mintavételi frekvencia A mintavételi frekvencia nagysága meghatározza az átviteli csatorna sávszélességét. Ilyen meggondolásból választották a digitális, műholdas rádió- és tv-adások mintavételi frekvenciáját 32 kHz-re (fmax 15 kHz).
Az A/D átalakítás Az amplitúdóminták bináris digitális jellé való átalakítását az analóg-digitális (A/D) átalakító végzi. Az A/D átalakító bemenetére vezetett amplitúdóminták bináris adatszavakká átalakítva jelennek meg a kimenetén
Az A/D átalakítás Míg az A/D átalakító bemenetére érkező amplitúdóminták elméletileg végtelen sok különböző amplitúdóértéket vehetnek fel, addig az átalakítónak csak meghatározott számú bináris adatszó áll a rendelkezésére a kimenőjel előállításához. Az analóg bemenőjel digitális ábrázolásához rendelkezésre álló adatszavak száma a képzett adatszavak szóhosszúságától, azaz a szavakat alkotó bitek számától függ
Az A/D átalakítás Egy 3 bit szóhosszúságú kimenőjel előállítására képes A/D átalakító pl. 23 = 8 különböző adatszó (és ezáltal 8 különböző állapotú kimenőjel) ábrázolására képes. A következő ábrán arra mutatunk be példát, hogyan lehet ezzel a 8 különböző 3 bites adatszóval (kódszóval) az analóg bemenőjelből vett amplitúdómintákat leképezni.
Hozzárendelt bináris értékek kódszavak Az A/D átalakítás 001 1 2 3 4 5 6 7 8 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Kvantálási lépcsők Amplitudó minták 010 011 100 101 110 Hozzárendelt bináris értékek kódszavak 22 MSB 20 LSB
Az A/D átalakítás A teljes amplitúdótartomány 8 tartományra (kvantumra) van felosztva .A választott példában az első amplitúdóminta éppen 1 kvantum nagyságú. Ezt binárisan a 001-es kódszóval ábrázoljuk. A lehetséges legnagyobb amplitúdóértékhez a 8-as kvantumszám tartozik, amihez a 111-es bináris kódszó van rendelve
Az A/D átalakítás . Mivel a bináris kódszavak hozzárendelésénél az átalakító dönti el, hogy az adott amplitúdóminta eléri-e a következő, egyel nagyobb kvantum küszöbértékét, vagy nem, 1/2 lépésnyi (kvantumnyi) hozzárendelési hiba léphet fel. Az amplitúdómintáknak a bináris kódszavakhoz való hozzárendelését kvantálásnak nevezzük
Az A/D átalakítás A bináris kódszavak ábrázolásánál megállapodásszerűen (ill. a 10-es számrendszerben megszokott rendszert követve) a jobb oldali legelső bit a legkisebb helyi értékű (2°), míg a bal oldali legelső bit a legnagyobb helyi értékű (2n-1). A legkisebb helyi értékű bitet LSB-vel (Least Significant Bit), a legnagyobb helyi értékűt pedig MSB-vel (Most Significant Bit) szokás jelölni.