1. Generiranje sinusnega in pravokotnega signala

 

Sinusni signal se v naravi pojavji pogosteje, kot pravokotni signal. Popolnoma pravokotni signal ni mogoče generirati, ker bi potrebovali neskončno moč naprave.

 

  1. Frekvenca sluha, govora in različnih zvokov

 

Frekvenca se meri s številom Hertzev - nihajev na sekundo.

Najvišja frekvenca sluha je 20 kHz, najnižja pa 20 Hz

Najvišji zvok, ki ga človek ustvari je 3kHz

 

  1. Pasovna širina – Bandwidth

 

Poznamo:

-          širokopasovne povezave

-          ozkopasovne povezave

 

Tipična prenosna hitrost pri mp3 je 128 kbit/s

Telefonska linije je bila narejena za zvok 4kHz

Pasovna širina za ISDN; vsak kanal po 64kbit/s, za ADSL je največ 8Mbit/s

 

  1. Digitalizacija zvoka

 

To pomeni pretvorba analognega signala v digitalni signal

 

  1. Primerjava MIDI in Wav

 

MIDI so veliko manjše datoteke, gre zato, da se elektronsko generira že pripravljen zvok in samo spreminjamo frekvence. Ne more vsebovati vokalov. Pri MIDI gre za opis zvoka, pri Wav pa gre za vzorčenje.

Wav – bitna slika

MIDI – vektroska slika

 

  1. Stiskanje – kompresija

 

Neke možnosti stiskanja ima tudi Way. Razlikovati moramo PCM, DPCM in ADPCM.

 

 

           
Izračunajmo frekvenco: (6 nihajev)

 

čas      0,027

-           0,014 (ker ni čisto do nule)

__________

 

            0,013 = 13ms

 

6 / 0,013= 461 Hz (naj bi pa bilo 440 Hz)

 

Ko naredimo zadosti dobro povečavo, da vidimo 6 nihajev, izračunamo število nihajev v sekundi (in s tem frekvenco) : 6 nihajev deljeno z 0.013 sec, kar nam da 460 Hz - no v resnici je ton bil 440 Hz.

 

Primerjamo signale v časovnem in frekvenčnem prostoru (Frequency Analysis). V časovnem prostoru je seveda treba signal ustrezno raztegniti, da bi videli sinusni ali pravokotni signal.

 

 

Sinusni signal:                                                                               

                                                                                   

 

Sinusni spekter:

 

Pravokotni signal:

 

 

Pravokotni spekter:

 

 

Zakaj je spekter pri pravokotnem signalu sestavljen iz tako velikega števila špic?

Ker je pravokotni signal sestavljen iz tako veliko členov in vsak člen nam da novo špico.

 

Kako priti do pravokotnega signala s pomočjo seštevanja sinusnih komponent:

 

y = sin x + (sin 3x)/3 + (sin 5x)/5 +  (sin 7x)/7 …

 

Vsak naslednji člen v vsoti nam da v frekvenčnem spektru novo črto.

Digitalizacija zvoka

 

1) Vzorčenje

 

            Pri vzorčenju moramo vzeti 2X višjo frekvenco vzorčenja, v primerjavi z najvišjo frekvenco v analognem signalu (drugače je ravna črta).

 

 

            Ker je gornja meja našega slušnega območja 20kHz, moramo po Nyquistovem theomu vzorčiti vsaj z 40kHz. Kvaliteta zvoka na Cdju, je opisana z naslednjimi parametri:

-          sample rate: 44100Hz

-          stereo

-          16bit globine/resolucije zvoka

 

2) Kvantizacija

 

            Pri kvantizaciji se moramo odločit za vrednost – velikost vzorca. Pri 8 bitni ločljivosti imamo na razpolago samo 256 stanj. Kvantizacijska napaka je pri 16 bitni ločljivosti (65.636 kvantnih stanj) manjša kot pri 8 bitni ločljivosti.

Po kvantizaciji dobimo naslednje vzorce: 90, 95, 91

 

 

3) Kodiranje

 

Služi za to, da kvante (vrednost vzorcev) spremenimo v bite.

 

Kdaj je sploh potrebna digitalizacija zvoka?

Takrat, ko želimo analogni zvok (iz glasbil, radio,...) dobiti na računalniku. Vedno, kadar ima zraven prste računalnik je zvok digitaliziran. 

 

 

 

 

 

90 v dvojiški sistem:

 

90 = 2 X 45 + 0

45 = 2 X 22 + 1

22 = 2 X 11 + 0

11 = 2 X 5 + 1

  5 = 2 X 2 + 1

  2 = 2 X 1 + 0

  1 = 2 X 0 + 1

 

90 = 01011010

95 = 8 bitov

91 = 8 bitov

 

Teh 24 bitov predstavlja PCM (tolk glasba zasede prostora).

 

 

Stiskanje (kompresija) zvoka

 

PCM pulse coded modulation

DPCM differencial pulse coded modulation

ADPCM  adaptive differencial coded modulation

 

O modulaciji govorimo zaradi tega, ker analogni signal spreminjamo v digitalnega (modem).

 

S PCM modulacijo bomo 3 zaporedne vzorce zapisali z 24 biti. Za DPCM velja, da kodiramo razlike med posamičnimi vzorci. Pričakujemo, da so te razlike majhne in zaradi tega tudi porabimo manj bitov na posamično razliko. Za posamično diferenco smo rezervirali samo 4 bite, za vse 3 vzorce smo torej porabili 12 bitov.  

 

 

DPCM: če je pa razlika med dvema vzorcoma zelo velika (npr: 90 in 105), se pa kvaliteta poslabša in je bolje če pustimo PCM.

 

Če je število bitov na vzorec 8, potem imamo 256 kvantizacijskih vrednosti.

Če so zaporedni vzorci  90, 95 in 91, in vsakega opišemo z osmimi biti, potem je to skupaj 24 bitov.

 

Naš namen je, da zmanjšamo število bitov, ne da bi vplivali na kvaliteto posamičnih vzorcev. Korak k tej smeri je diferencialna modulacija – torej zapišemo z določenim številom bitov le posamične diference ne pa celotnih vzorcev.

Diference v gornjem primeru so (če je bil predhodni bit 87) : 3 (med 87 in 90), 5 (med 90 in 95) in –4. Te diference opišem s tremi biti in dodatni bit za predznak (+ ali -), kar znese 4 bite in za vse tri vzorce samo 12 bitov.

ADPCM (adaptivna diferencialna modulacija)

 

Pri ADPCM zasledujemo zvočni signal, da bi ugotovili na katerih mestih so razlike med sosednjimi vzorci velike in na katerih mestih majhne. Ko to ugotovimo, potem posebej kodiramo velike diference in posebej male. Beseda »adaptivno« pomeni to, da naše kodiranje priloagodimo in s tem prihranimo kakšen bit prostora.

 

Izračun velikosti PCM datoteke:

 

CD quality

44 100 Hz = frekvenčno nihanje

44 100 1/s X 16 bitov (kvantizacija) =

= 705,600 X 2

= 1,411,200 bit/s X 60s

= 84,472,000 bitov : 8 (da dobimo byte- 1 byte je 8 bitov)

= 10584000 bytov : 1024 (da dobimo kB)

=10335 kB : 1024 (da dobimo MB)

= 10,1 MB

Nastanek zvoka

 

Zgoščine in razredčine

Pri nihanju zvočila se okoliški zrak začne odzivati skladno s frekvenco nihanja. Nastajajo zgoščine (območja z višjim tlakom - compressions) in razredčine (območja z nižjim tlakom - rarefactions). Z nihanjem zvočila se proizvaja zvočno valovanje.

 

Naravna frekvenca nihanja

Vsak glasbeni instrument ima svoje značilnosti in svojo naravno frekvenco nihanja. Če se oglaša samo s to frekvenco, potem je zvok čist. Če generiramo sinusni signal, potem je prisotna samo ena frekvenca.

Flavta ima na primer osnovno frekvenco in le malo višjih harmonskih (dvojna in trojna frekvenca osnovne sta izraziti). Zvok flavte je relativno čist. Če pa se instrument oglaša z množico višjih harmonskih frekvenc, potem je zvok bogatejši – primer saksofon.

Naravno frekvenco spremenimo s tem, ko izbiramo druge tipke na instrumentu ali ko z različnimi prijemi skrajšamo dolžino strune.

 

Zračni steber

Zvok nastane pri različnih glasbenih instrumentih na različne načine. Pri pihalih se ustvari  zračni steber (air column). Naravna frekvenca nihanja tega stebra in s tem zvoka, ki ga povzroča je obratnosorazmerna dolžini stebra. Kar pomeni, da krajše cevi piskajo z višjimi frekvencami.

Pri trobilih sprožimo nihanje zračnega stebra s tresenjem ustnic ob pihanju. Pri pihalih pa imamo poseben jeziček, ki s svojim tresenjem sproži nihanje zračnega stebra.

 

Nekaj pihalnih in trobilnih instrumentov: klarinet, tuba, trobenta, saksofon, pozavna, oboa, rog.

 

Struna

Pri instrumentih s strunami je situacija podobna. Naravna frekvenca nihanja strune in s tem zvoka, ki ga povzroča je obratnosorazmerna dolžini strune. Kar zopet pomeni, da krajše strune oddajajo zvok višjih frekvenc. Nihanje strune sprožimo z brenkanjem, udarci s kladivci ali pa z vlečenjem loka po struni.

 

Nekaj brenkal in godalnih instrumentov: kitara, mandolina, kontrabas, violina, viola.

 

Resonanca

Vsak predmet (ne le glasbeni instrumenti) ima neko svojo naravno frekvenco nihanja. Če mu vsilimo nihanje od zunaj in zadenemo ravno to frekvenco, pravimo da preide v resonanco z vsiljeno frekvenco. Tako lahko naprimer nekateri s svojim glasom razbijejo kozarec. Vojakom je bilo vedno prepovedano korakanje čez most.

 

Sam zvok strune bi bil premalo glasen, zato ga ojačamo z resonančnimi skrinjami, ki so v večini primerov lesene. Nihanje strune povzroči tudi nihanje (gre za vsiljeno nihanje) akustične škatle, na katero je struna pripeta. Na ta način se proizvedejo večja območja zgoščin in razredčin, kar pomeni glasnejši zvok.

Klavir ima strune skrite znotraj resonančne skrinje.

Izdelovanje resonančnih skrinj je hkrati znanost in umetnost – primer Stradivarijevih gosli.

Zvok se lahko seveda ojači tudi z električnimi sredstvi – ojačevalniki.

 

Mikrofon

Mikrofon je naprava, ki longitudinalno valovanje (zgoščine in razredčine) spremeni v elektromagnetno valovanje. To valovanje se opiše s sinusno krivuljo (če gre za en ton),  kjer je vrh krivulje zgoščina, dno krivulje pa razredčina.

Pretvorba zvoka v električni signal nam omogoča, da ga prenašamo na daljše razdalje (radio, televizija, telefon) ali da ga shranimo na različne nosilce (kasete, magnetne trakove, vinilne plošče). V vseh naštetih primerih gre za analogni zvok.

Glej sliko sinus.gif

 

 

Oktava

Če hkrati poslušamo dva naključno izbrana tona, bosta večinoma delovala razglašeno. Nekateri toni pa z drugimi delujejo v sozvočju – harmonično. To je odvisno od razmerja teh tonov ne glede na osnovno frekvenco prvega.

Primer: če ima drugi ton dvakrat višjo frekvenco od prvega, potem dobimo inteval, ki se imenuje oktava.

 

 

Interval

Frequency Ratio

Examples

Octave

2:1

512 Hz and 256 Hz

Third

5:4

320 Hz and 256 Hz

Fourth

4:3

342 Hz and 256 Hz

Fifth

3:2

384 Hz and 256 Hz

 

 

Toni C durove lestvice

C

D

E

F

G

A

H

C

Ime intervala

 

 

terca

kvarta

kvinta

 

 

oktava

razmerje

 

 

5 : 4

4 : 3

3 : 2

 

 

2 : 1