Cyfrowe przetwarzanie sygnałów fonicznych

103000 - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych

CPSF

1

Studenci po wysłuchaniu wykładu i wykonaniu ćwiczeń laboratoryjnych uzyskują wiedzę teoretyczną i praktyczną z zakresu cyfrowego przetwarzania sygnałów fonicznych, głównie sygnałów muzyki, z uwzględnieniem akustycznych zjawisk fizycznych, ograniczeń percepcji słuchowej i efektów psychoakustycznych.

Studenci po wysłuchaniu wykładu i wykonaniu ćwiczeń laboratoryjnych uzyskują wiedzę teoretyczną i praktyczną z zakresu cyfrowego przetwarzania sygnałów fonicznych, głównie sygnałów muzyki, z uwzględnieniem akustycznych zjawisk fizycznych, ograniczeń percepcji słuchowej i efektów psychoakustycznych.

Treść wykładu
Sygnały i systemy foniczne (2 g.)Analogowe i cyfrowe sygnały foniczne oraz ich reprezentacje w dziedzinach czasu i częstotliwości. Media pamięciowe. Tor foniczny i typowe operacje na sygnale. Wpływ ograniczeń percepcji słuchowej na projektowanie cyfrowych systemów fonicznych. Porównanie analogowych i cyfrowych systemów fonicznych.

Modulacja kodowo-impulsowa (PCM -pulse-code modulation) (4 g.)
Próbkowanie idealne i rzeczywiste sygnałów fonicznych ograniczonych
pasmowo. Jitter próbkowania. Kwantowanie równomierne (liniowe) i błąd
kwantowania. Szum kwantowania i szum granulacyjny. Stosunek sygnału do
szumu i dynamika. Dithering. Nadpróbkowanie. Kształtowanie widma szumu
kwantowania bez nadpróbkowania.

Modulacja sigma-delta (SDM - sigma-delta modulation) (4 g.)
Modulacja delta i modulacja sigma-delta. Kształtowanie widma szumu kwantowania z nadpróbkowaniem. Kilkubitowe modulatory sigma-delta. Wpływ rzędu modulatora na skuteczność kształtowania widma szumu kwantowania. Problem stabilności. Jitter zegarowy. Zniekształcenia tonalne w modulatorach sigma-delta i zastosowanie sygnału dithera.

Foniczne filtry cyfrowe (2 g.)Filtry bierne i czynne, analogowe i cyfrowe. Filtry cyfrowe NOI i SOI oraz ich właściwości. Zarys metod projektowania filtrów cyfrowych. Cyfrowe filtry decymacyjne i interpolacyjne. Konwertery szybkości próbkowania, synchroniczne i niesynchroniczne. Filtry NOI i SOI spaczone (audio warped digital filters ) i ich zastosowanie.

Foniczne przetworniki analogowo-cyfrowe (a/c) i cyfrowo-analogowe (c/a) (4 g.)Parametry statyczne i dynamiczne przetworników a/c i c/a. Struktury, działanie i właściwości przetworników konwencjonalnych (PCM) oraz sigma-delta (SDM). Zalety i wady stało- oraz miennoprzecinkowej reprezentacji danych cyfrowych.

Kodowanie protekcyjne i kanałowe (2 g.) Źródła błędów, błędy przypadkowe i seryjne. Kodowanie i dekodowanie protekcyjne. Detekcja i korekcja błędów. Kody protekcyjne. Kody proste i złożone. Kodowanie i dekodowanie kanałowe (modulacja i demodulacja cyfrowa). Kody wufazowe.

Transmisja cyfrowych sygnałów fonicznych (1 g.) Podstawowe standardy transmisyjne S/PDIF oraz AES/EBU (AES 3). Sposoby
dystrybucji cyfrowych sygnałów fonicznych. Formaty wielokanałowe (MADI,
ADAT, TDIF i inne).

Kompresja danych fonicznych (2 g.) Bezstratna kompresja danych (predykcja liniowa, kodowanie entropii). Stratna kompresja danych (kodowanie percepcyjne, modele psychoakustyczne, kodowanie w dziedzinach czasu i częstotliwości). Algorytmy kompresji danych fonicznych. Algorytmy silnej kompresji stratnej.

Jitter w systemach audio (1 g.) Rodzaje błędów czasowych. Jitter w dziedzinach czasu i częstotliwości. Jitter próbkowania i jitter
interfejsowy. Jitter zegarowy. Metody pomiaru i redukcji jittera.

Korekcja charakterystyk częstotliwościowych (2 g.)Cyfrowe filtry dolno- i górnoprzepustowe, półkowe, tarasowe oraz parametryczne. Korektory graficzne i parametryczne. Efekty kwantyzacyjne. Banki filtrów. Skalowanie.

Symulacja warunków akustycznych pomieszczeń (2 g.) Pomiar odpowiedzi impulsowej pomieszczenia. Struktura czasowa odbić w
pomieszczeniu. Mody własne pomieszczenia. Symulacja odbić. Systemy
sieci opóźnieniowych.

Dynamiczna regulacja wzmocnienie (2 g.) Typowy system dynamicznej regulacji wzmocnienia (DRC - dynamic range control). Regulacja głośności, miksowanie, panoramowanie. Kompresor i
ogranicznik. Ekspander i bramka szumowa.

Przykłady praktycznych implementacji algorytmów CPSF (2 g.) Zastosowanie procesorów sygnałowych o architekturze harwardzkiej.
Użyteczne bloki konstrukcyjne sprzętowo/programowe. Realizacje
cyfrowych efektów dźwiękowych. oraz dynamicznej obróbki sygnałów.
Wybrane cyfrowe urządzenia i systemy foniczne (zapis i odtwarzanie
danych z mediów pamięciowych, przedwzmacniacze i wzmacniacze cyfrowe,
cyfrowe zwrotnice głośnikowe, itp.)


Zakres laboratorium

1. Prezentacja nagrań muzycznych zapisanych cyfrowo w różnych
   formatach


2. Omówienie przetwarzania sygnałów w torze fonicznym od mikrofonu
   do głośnika. Dźwiękowa prezentacja nagrań muzycznych zarejestrowanych w
   różnych formatach cyfrowych i na nośnikach analogowych. Dyskusja na
   temat jakości nagrań.


3. Projektowanie filtrów cyfrowych o stałej częstotliwości
   próbkowania


4. Projektowanie fonicznych filtrów o liniowych fazach za pomocą
   programu QEDesign z wykorzystaniem algorytmu Parksa-McClellana. a także
   - obliczenie opóźnień grupowych filtrów, zmiana kwantyzacji
   współczynników filtru i ponowna ocena charakterystyk ze zwróceniem
   uwagi na tłumienie w pasmach zaporowych i falistość w pasmach
   przepustowych.


5. Projektowanie filtrów cyfrowych o zmiennej częstotliwości
   próbkowania


6. Projektowanie fonicznych filtrów decymacyjnych i
   interpolacyjnych, służących m. in. do synchronicznej konwersji
   szybkości próbkowania fonicznych sygnałów cyfrowych, z wykorzystaniem
   programu Sample Rate Conversion System v2.2. .


7. Przetwarzanie i generacja cyfrowych sygnałów fonicznych


8. Przetwarzanie i generacja sygnałów z zastosowaniem programu Adobe
   Audition 3.0. Badanie wpływu sygnału dithera o wybranej wartości
   międzyszczytowej i funkcji PDF na widmo amplitudowe generowanych
   sygnałów, pomiar jittera w sygnale cyfrowym. Zapoznanie się z metodą
   usuwania szumu i zakłóceń ze starych nagrań.

Studenci otrzymują materiały wykładowe w formie notatek (na prawach
rękopisów) do kopiowania oraz dodatkowe materiały uzupełniające.
Ponadto mogą korzystać z literatury, której wykaz zamieszczono poniżej:


1. K. Benson, Audio engineering handbook, McGraw Hill, 1988


2. K. C. Pohlman, Principles of digital audio, McGraw Hill, 2005


3. U. Zolzer, Digital audio signal processing, John Wiley &
   Sons, 1998


4. Z. Kulka, A. Libura, M. Nadachowski, Przetworniki a/c i c/a, WKŁ,
   Warszawa, 1987


5. A. Czyżewski, Dźwięk cyfrowy, AOW EXIT, Warszawa, 1998


6. W. Skarbek, Multimedia, algorytmy i standardy kompresji, AOW PLJ,
   Warszawa, 1998


7. J. M. Wojciechowski, Sygnały i systemy, WKŁ, Warszawa, 2008


8. R. G. Lyons, Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów,
   WKŁ, Warszawa, 2010


9. J. Szabatin, Podstawy teorii sygnałów, WKŁ, Warszawa, 2000


10. S. W. Smith, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, Wydawnictwo BTC,
    Warszawa, 2007

Do ćwiczeń laboratoryjnych (2, 3, 4) są przygotowane odpowiednie instrukcje zawierające podstawowe wiadomości z zagadnienia (lub zagadnień) jakie obejmuje ćwiczenie oraz wymagania dydaktyczne związane z realizacją ćwiczenia. Instrukcje mogą być pobrane przed ćwiczeniem z witryny internetowej Zakładu Elektroakustyki. Przed rozpoczęciem ćwiczenia jest sprawdzany stan przygotowania studentów do ćwiczenia. Ćwiczący mają obowiązek przygotowania wniosków ze zrealizowanego zadania. Zaliczenie co najmniej trzech ćwiczeń jest konieczne do dopuszczenia do egzaminu pisemnego.

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych

103400 - Instytut Radioelektroniki i Technik Multimedialnych