Oppitunti 3: Äänen digitalisointi ja häiriönpoisto

Kolmannella oppitunnilla päästään jo itse asiaan. Historia on nyt historiaa ja tällä kertaa aiheena on äänen digitoinnin perusteet ja häiriöiden poisto. Oppitunti käsitteli mm. seuraavia asioita:

Äänen digitalisointi:

• ääni (ilmanpaineen vaihtelu) --> mikrofoni --> sähköjännite --> AD-muunnin --> lukujono (binääri)
• AD-muunnoksen työvaiheet:
1. näytteenotto tietyin väliajoin
2. kvantisointi (näytearvojen esitys bitteinä)
• molemmat vaiheet aiheuttavat virheen

Kvantisointi:

• idea: signaaliarvojen esittäminen tietyllä tarkkuudella
• arvot joko pyöristetään tai katkaistaan lähimpään mahdolliseen kvantisointitasoon
• kvantisointi lisää signaaliin satunnaisen virheen
• bittimäärä asettaa kvantisointitasojen määrän
• kvantisointitasoja on 2^bittimäärä
• esim 16 bitillä --> 65536 kvantisointitasoa
• kvantisoinnista seuraa aina kvantisointivirhe, joka aiheutuu juuri pyöristämisestä
• virhe ei voi olla suurempi kuin ½ kvantisointitasoa
• häiriöetäisyys (signaali-kohinasuhde) on suurimman signaaliarvon ja suurimman kvantisointivirheen suhde
• 16 bittiä vastaa 96dB:n häiriöetäisyyttä
• 1 bitin lisäys parantaa häiriöetäisyyttä n. 6dB
  
• kvantisointiin tarvitaan periaatteessa 20 bittiä, jotta saadaan tallennettua kaikki ihmiskorvan kuulemat äänet kunnolla
• käytännössä vähempikin riittää
• esim. CD 16-bit ja puhelin 8-bit

Dither:

• ditteröinnissa signaaliin lisätään hiljaista kohinaa ennen kvantisointia, millä yritetetään satunnaistaa kvantisointivirhe
• edut:
• pienillä signaalitasoilla syntyvä särö muuttuu kohinaksi, joka on vähemmän häiritsevää muusiikissa
• saadaan tallennettua entistä pienitasoisempia signaaleja
• haitta:
• lisätty kohina huonontaa häiriöetäisyyttä
• käytetään sekä AD- että DA-muunnoksessa
• AD: särön vähennys ja pienten signaalien talletus
• ilman ditteröintiä alle vähiten merkitsevän bitin amplitudiset signaalit kvantisoituvat nollasignaaliksi
  
• DA: muunnoksen linearisointi ja pienten tasojen toisto
• dither-tekniikat
• vähentävä dither
• dither-signaali poistetaan käytön jälkeen
• häiriöetäisyys ei huonone
  
• autodither
• dither-signaali tuotetaan digitaalisen signaalin vähiten merkitsevän bitin vaihtelusta
• ei tarvita erillistä satunnaislukugeneraattoria

Kohinanmuokkaus:

• kohinanmuokkauksessa kvantisointivirheen spektriä muokataan suodattamalla ja takaisinkytkemällä vähemmän häiritseväksi
• kvantisointivirhe voidaan laskea

AD- ja DA-muuntimet:

• tärkeitä ominaisuuksia nopeus ja tarkkuus
• hyvät audiokäyttöön tarkoitetut muuntimet ovat 16-32-bittisiä
• AD-muunnin periaatteita:
• rinnakkaiskomparaattori (flash)
• peräkkäisaproksimaatio
• kaksoisintegrointi
• delta-sigmamuuntimet
• DA-muunnin periaatteita:
• useita eri periaatteita, joissa kaikissa bitit muutetaan suoraan jännitteeksi
• kalliita, mutta yksi muunnin riittää parille kanavalle

Taas tuli paljon teoriaa, mutta jotkut kalvoissa esiintyneet käsitteet jäi vähän epäselviksi. Tulevat harjoitukset ehkä selventävät joiltain osin opittua teoriaa. Sinänsä tärkeä aihe ja varmasti tulen opittua hyödyntämäänkin jossain vaiheessa. Häiriönpoistoa voi esimerkiksi tarvita omissa äänitteissä tms. Eteenpäin!