Tehtävä 1: Näytteistys ja dither

Äänenä tehtävässä käytin wav-muotoista musiikkikappaletta. Muuttamalla näytteistyksen taajuutta suuremmaksi (44100Hz --> 48000Hz) ilman uudelleennäytteistystä ääni nopeutui ja taas pienemmäksi (44100Hz --> 8000Hz) muuttamalla se hidastui. Kun taas uudelleennäytteistämistä käyttämällä (--> 8000 Hz) kappale ei hidastunut, mutta laatu laski huomattavasti. Ditherin käytöllä uudelleennäytteistämisen yhteydessä en huomannut olevan merkistystä lopputulokseen.

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!

Oppitunti 2: Mennyttä ja tulevaa

Lisää historiaa:

• ensimmäinen DSP-oppikirja ilmestyi 1969
• 1970 kehitettiin lineaarinen ennustuskoodaus, johon perustuvat mm. nykyiset GSM-puhelimet
• 1973 keksittiin FM-synteesi, johon sen aikaiset syntetisaattorit perustuivat
• Ensimmäinen kotikäyttöön tarkoitettu digitaaliäänityslaite oli 1978 myyntiin tullut U-matic videonauhuri yhdistettynä Sonyn PCM-1600-adapterilla
• Ensimmäiset samplerit tulivat 1980-luvulla (mm. Fairlight CMI IIx, jossa myös sekvensseri)
• CD-levy kehitettiin 1982 Sonyn toimesta
• 1990-luvulla kehitettiin aktiivinen meluntorjunta, jossa käytettiin vastaääntä vaimentamaan alkuperäinen ääni
• 3D-äänentoisto saapui tuotteisiin n. 1992
• Erittäin tärkeät MPEG multimediastandardit kehitettiin pääasiassa 1990-luvulla:
• MPEG-1 (esim. DCC, DAB) 1990
• MPEG-2 (esim. DSTV, HDTV, DVD) 1993
• MPEG-4 (rakenteinen audio) 1999
• MPEG-7 (audiovisuaalisen informaation kuvaus, tunnistus ja haku oikeassa muodossa) 2001
  
• digitaalinen monikanavaääni kehitettiin 1990-luvulla
• Dolby Digital (5.1) 1992
• CD-levyn parannellut seuraajat Super Audio CD (SACD) ja DVD Audio (DVD-A) kehitettiin 2000-luvun alussa

Digitaalisen audion lähitulevaisuus:

• MPEG-21 (multimedian viitekehys, digitaaliset vesileimat yms.)
• Yhä enemmän kuulonmukaista, älykästä äänenkäsittelyä
• kuulema-analyysi
• äänilähteiden erottelu äänitteestä
• digiaudiosovellukset:
• puhelinjärjestelmät
• musiikintallennus
• digi-tv ja -radio
• lentokoneiden hiljaiset matkustamot yms.
• digiaudion tutkimus
• musiikkisignaalien sisältöanalyysi
• stereofoninen akustinen kaiunpoisto
• moniulotteiset akustiset järjestelmät
• tehokkaat audiokoodausalgoritmit
• äänitiedostojen vesileimaus

Historiaosuutta on nyt päivitetty ja katsaus on luotu jo tulevaisuuteenkin. Nyt voidaan alkaa pikkuhiljaa siirtymään itse asian pariin. Kaksi ensimmäistä oppituntia on nyt ollut oikeastaan vain tällaista perustan luomista tuleville oppitunneille, eikä sinänsä näistä varmaan kauheasti mieleen jää. Hyvä kuitenkin tietää vähän historiastakin miten hommat on lähteneet liikkeelle.

Oppitunti 1: Historian havinaa

Ensimmäinen oppitunti on nyt katseltu ja opin mm. seuraavaa:

• audio tarkoittaa mitä tahansa signaalia, joka voidaan kuulla (20 - 20 000 Hz)
• digitaalisella audiolla on pitkä historia aina 1800-luvulta asti, jolloin kehitettiin mm. puhelin ja ensimmäinen sähköinen soitin musical telegraph
  
• vuonna 1948 perustettiin digitaalisen signaalinkäsittelyn kehitykselle elintärkeät instituutit IRE Audio Group (nyk. IEEE) ja Audio Engineering Society, joiden lehdissä ja konferensseissa julkaistaan nykyisin pääosa DSP:tä koskevista uusista ideoista
  
• Henkilökohtainen elektroniikka sai alkunsa, kun Sony esitteli vuonna 1957 ensimmäisen transistoriradion
• Saman vuonna (1957) otettiin käyttöön myös maailman ensimmäinen DA-muunnin
• FFT algoritmi mullisti laskennan vuonna 1965
• digitaalinen audio arkipäiväistyi 1980-luvun puolivälissä, kun cd-levy tuli markkinoille

Oppimani asiat toivat lähinnä uutta tietoa audion historiasta, joka lähinnä vain lisäsi yleistietoa. Ensimmäisen oppitunnin tiedoista ei välttämättä ole vielä minulle muuta hyötyä kuin tietokilpailuissa nippelitietona. ;) Oli kuitenkin hyvä saada vähän taustatietoa audion ja etenkin digitaalisen sellaisen synnystä ja kehityksestä.

Blogin luonti

Tervetuloa digitaalisen audion kurssiblogiin!

Blogi on nyt luotu ja kaikki on valmiina oppimispäiväkirjan tekoa varten. Uutta hommaa minulle, joten tutkia täytyy hieman tarkemminkin mitä ominaisuuksia löytyy. Palaillaan!