Záznam a zpracování zvukových signálů

ČVUT v Praze, FEL, katedra radioelektroniky Záznam a zpracování zvukových signálů František Kadlec kadlec@fel.cvut.cz

Obsah Číslicové zpracování zvukových signálů Psychoakustická optimalizace zvukového signálu Zařízení pro záznam a reprodukci zvuku Záznam zvuku na film Záznam analogového zvukového signálu Magnetooptický záznam Super Audio Compact Disc DVD, DVD + RW, DVD-RW, DVD DL Literatura

( t) Y ( ω ) y, DSP Dolní propust H(ω) ( t) X ( ω) x, Vzorkování signálu xs 1 Ts k= () t = x() t δ ( t nts ), X s( ω ) = X ( n= ω + kω Číslicové zpracování zvukových signálů Analogově-číslicový převodník DSP signálu ( t) = Q{ x ( t) } = x ( t) e[ x ( t) ] xd s s + Studiové zpracování zvukových signálů: záznam a reprodukce signálů, číslicová filtrace, tlumení a směšování signálů, zpožďování signálů, speciální efekty,... Časová a kmitočtová analýza signálů s Kmitočtová korekce 1/P da (ω) Číslicově-analogový převodník ω T 1 s ω T j s 1 =. e, 0,5ω s ω 0,5 Pda ( ω ) Ts ω T sin s Ya ω T sin s s ω Ts ω T j s d k = ( ω ) = T. e X ( ω kω ) s ω s Dolní propust H(ω)

DSP, vzorkování signálu vyšším kmitočtem ( nt1 ) x[ n] X, X ( F ) x, x( nt 1 ) x[] n Vzorkování signálu vyšším kmitočtem N=, T =T 1 /N y( nt ) y[ n] a) b) 1 0 T1 T1 ( nt ) y[ n] y, 1 3 4 3T1 4T1 n t 0 Y ( F ) Y, 0,5 f v1 Fv = 1 1 f v 1 = T f v 1 1 F f c) 0 1 3 4 5 6 7 3T 5T 7T T n t 0,5 1 F 0 f v f v 1 f f v = 4 T

DSP, převzorkování signálu vložením nulových vzorků x[ n] x[ n] Převzorkování signálu, interpolace nulami, M=4 y [ n] w[ n] X ( F ) 0, 5 Filtrace signálu, F dp = M a) b) 0 13 4 n y[ n] 0 0,5 1 F Y ( F ) c) 0 134 n w[ n] 0 0,15 0,5 1 W ( F ) d) F dolní propust 0134 n 0 0,15 0,5 1 F

DSP, decimace signálu ( nt ) x[] n x 1, ( nt1 ) y[ n] w ( nt ), w[ n] y, a) Filtrace signálu dolní propustí F dp = 0, 5 D, D= Decimace signálu, D=, T = D T 1 ( nt1 ) x[] n X, X ( F ) x, b) 1 1 3 4 n 0,5 F v = 1 0 T1 T1 3T1 t 0 fv1 f v 1 = 1 T1 ( nt1 ) y[] n Y, Y ( F ) y, 1 F dp = 0,5 F f c) 1 3 4 n 0 T1 T1 3T1 t ( nt ) w[] n w, 0,5 f v1 4 0 f v1 W ( F ) W, F v = 1 f v 1 = 1 T 1 F f d) 0,5 0,5 1 3 4 n 1 0 T T 3T t f v 0 f v = 1 T f v F f

DSP, vzorkování signálu vyšším vzorkovacím kmitočtem x () t P ř evzorkování signálu D f v Vzorkování, kvantování signálu Č íslicov á filtrace dolní propustí D ecim ace signálu D f v D D ecim ace signálu y [ n ] a) S xx S xx S ee S ee b) f S xx S dd 0 f m f v S xx f v 3 f v f v c) S dd f S yy S dd 0 f m dolní propust D S yy S dd f v D f v d) f 0 f m f v f v

DSP za účelem zvýšení odstupu S/N x S xx S ee S N = 10 log f m 0 f 0 m S S xx dd df df x S ( f ( ) xx ) f S dd S N = 10 log f 1 D 0 m f S 0 m xx S ee df df S N = S N 10 log f m 0 f 0 m S S xx ee df df 10 log = 6,0 n + 1,76 + 10log D + D

DSP, Sigma-delta modulace Princip Sigma-delta převodníku X () z Y ( z) Delta modulace P y S N () z ( z) () z Y = = z X 3 f 10log f f = m x 1 16. [ db]

A/D konverze signálu s vícenásobným tvarováním spektra šumu Integrátor H i ( z) Komparátor E 1 ( z) ( z ) P1 ( z) R 1 ( z) ( z) Σ + + + Σ 1 z S 1 + + Σ Y ( z) 1 3 ( z) = X ( z) + ( 1 z ) E () z Y 3 E 1 ( z) Σ + Σ + D/A D/A + Σ 1 z E ( z) R( z) S ( z) H i ( z) + Σ 1 z Diferenciátor 1 z + Σ H d ( z) E ( ) R 3 ( z) 3 ( z) E z S 3 ( z) H i ( z) H d ( z) ( z) H d + + Σ F e ( α ) 10 1 1,000 10 0 0,100 10-1 0,010 10-0,001 10-3 sin( α ) 4sin ( α ) 3 8sin ( α ) D/A 1 z 10-4 π 100 0, 1 π 10 1 α 10-1 10 0 π

Psychoakustická optimalizace zvukového signálu, dithering U [ db] a) U [ db] b) n f [ khz] A = n. q [ V ] f [ khz] A = n nq. [ V ] U [ db] c) U [ db] d) n f [ khz] f [ khz] A = n A = n. q [ V ]. q [ V ] Spektrum chybových složek kvantovaného a vzorkovaného signálu; a) samostatný signál; b) signál spolu s ditherem s obdélníkovou PDF; c) signál spolu s ditherem s trojúhelníkovou PDF; d) signál spolu s ditherem s Gaussovou PDF. n

Psychoakustická optimalizace zvukového signálu Generátor pseudonáhodného signálu x[n] + _ v[n] Σ u[n] Křivky konstantní hlasitosti G(f) r[n] + Σ Číslicový filtr H(z) + w[] n v[n] s[n] Rekvantizace signálu _ Σ + y[n] y[n] = x[n] + ε[n] ε = G H 1 ( z ) = [ 1 H ( z )] [ R( z ) + E ( z )]. Y ( z ) = X ( z ) + [ 1 H ( z )] [ R( z ) + E ( z )].

Psychoakustická optimalizace zvukového signálu U [db] arování spektra ant. šumu mocí psychoustického filtru -80 U [db] -90-100 -110-10 -130-140 -150 b) a) U [db] -80-90 -100-110 -10-130 -140-150 b) -160 10 3 f 10 4 1 F [Hz] f [Hz] -160 10 3 10 4 F [Hz] U [db] -80-90 -100 c) U [db] -80-90 -100 d) -110-110 -10-10 -130-130 -140-140 -150-150 -160 10 3 10 4 F [Hz] -160 10 3 10 4 F [Hz]

Záznam zvuku na film Optický digitální záznam Digitální záznam SONY Dolby Digital Analogový stereofonní záznam Synchronizace se zvukovým záznamem na CD

Princip analogového záznamu zvukového signálu Magnetický nosič Směr pohybu Mazací hlava Synchronizace kmitočtu Záznamová hlava Měřicí bod R Reprodukční hlava Generátor mazacího proudu Generátor předmagnetizace Záznamový zesilovač C L Reprodukční zesilovač Vstupní signál Výstupní signál

Struktura páskového magnetického nosiče Povrch nosiče Vnitřní struktura nosiče Povrch nosiče Vnitřní struktura nosiče

= a o e Z λ π 0log Záznamový a reprodukční proces Ztráty oddálením nosiče a od čela mgf. hlavy ( ) = b e b Z b tl λ π λ λ π 1 log 0, Ztráty vlivem tloušťky záznamové vrstvy nosiče b ( ) = g g g Z g λ π λ π λ sin 0 log, ( ) = λ α π λ α π λ α tg d tg d d Z s sin 0 log,, Ztráty vlivem šíře štěrbiny g reprodukční hlavy Ztráty vlivem sešikmení štěrbiny reprodukční hlavy α je vlnová délka, je šíře mg. nosiče λ d Ztráty při magnetickém záznamu signálu:

Porovnání technických parametrů MD a CD

Magnetooptický záznam - minidisk Fyzikální princip magnetooptického záznamu signálu Blokové schéma magnetooptického záznamu a reprodukce signálu

Magnetooptický záznam - minidisk Magnetoptický záznam a snímání signálu

lokové schéma regulace konu laseru při magnetotickém záznamu signálu Magnetooptický záznam - minidisk

SACD - Super Audio Compact Disc šířka pásma 100 khz, dynamický rozsah 10 db (DC 0kHz), kapacita jedné HD vrstvy 4,7 GB, hrací doba 74 min. (shodná pro obě vrstvy), resp. >110 min. pro nehybridní disk, v HD vrstvě současně kanálový záznam, 6 kanálový záznam, doplňkové informace (grafika, texty, video).

SACD - Super Audio Compact Disc Řez hybridním diskem

SACD - Super Audio Compact Disc lokové schéma záznamu a reprodukce signálu

SACD - Super Audio Compact Disc SACD je použito několik úrovní hran proti nelegálnímu kopírování : PSP - Pit Signal Processing, ochrana pomocí viditelných vodoznaků neviditelné vodoznaky otisknuty do zaznamenávaného datového proudu Šifrování záznamů SACD není kompatibilní s počítačovými DVDROM a DVD-R mechanikami

DVD Blue Ray Médium CD DVD DVRblue Záznam CD Kapacita vrstvy 0,65 GB 4,7 GB,5 GB Vln. délka 780 nm 650/635 nm 405 nm Rozteč stop Num. apertura 1,5 um 0,45 0,7 um 0,6 0,5 um 0,85 Záznam DVD Tl. vrstvy 1, mm 0,6 mm 0,1 mm Záznam DVD-blue

Porovnání struktury CD a DVD truktura CD Struktura DVD

DVD, DVD + RW, DVD-RW, DVD DL Základem všech přepisovatelných DVD médií je látka, jenž se může nacházet ve dvou různých pevných skupenstvích a to amorfním nebo krystalickém (v případě DVD+RW ve stavu polykrystalickém). Amorfní skupenství světlo rozptyluje Látka ve skupenství (poly)krystalickém světlo odráží

DVD, DVD + RW, DVD-RW, DVD DL ůzná odrazivost světla umožňuje rozeznávat dva stavy záznamu signálu. udeme-li chtít dané skupenství změnit, bude potřeba materiál zahřát a určitou teplotu, při kterém látka mění skupenství.

DVD, DVD + RW, DVD-RW, DVD DL isk má předem vylisovanou spirálovitou rukturu, kde se střídají prohlubně "grooves", výšeniny "lands " a tak vznikají drážky. ěna mezi drážkami má tvar sinusovky. umožňuje synchronizaci i procesu zápisu, nebo je ožno snímat tvar drážky, v. wooble signál.

DVD, DVD + RW, DVD-RW, DVD DL Struktura DVD + R Struktura záznamové vrstvy je polykrystalická. Zahřátím na teplotu 500 700 C se látka stává kapalnou a následným ochlazením se dostane do amorfního stavu. Pro mazání se používá střední intenzita laseru. Záznamová vrstva se ohřeje po určitou dobu na teplotu 00 C, jenž stačí pro tzv. minimální krystalizační čas. Látka tak může přejít opět do krystalického stavu.

Datová struktura disku DVD-RW Pro adresování zde slouží tzv. "Land Pre-Pits", což jsou výstupky v drážkách groove.ty jsou zaznamenány na čistém médiu a slouží pouze pro adresování. Jeden pre-pit tak představuje jeden bit adresy, jenž je ukládána v tzv. ATIP (absolute time in Pre-Groove). Na médiu je wobble signál o frekvenci 140,6 khz.

Datová struktura disku DVD-RW Každé DVD přepisovatelné médium používá spirálovou stopu, která je vzájemně oddělena vyvýšeninou (land) a drážkou (groove). Data jsou zapisována jak do land, tak do groove. Každé DVD lze rozdělit na tři oblasti. Oblast Lead-in (LIA) obsahuje pouze informace o obsahu disku (TOC = Table of Contents). Programová oblast (Program Area) je oblast do níž jsou data zaznamenávána a představuje největší část celého disku. Poslední oblastí je Lead-Out (LOA), označující konec disku.

Datová struktura disku DVD-RAM (Random Access Memory) Detail přechodu mezi datovou a ID oblastí Sektory DVD-RAM disku Datová oblast DVD-RAM disku je rozdělena do 4 soustředných zón. Každá zóna obsahuje 1888 tracků (944 land a 944 groove).

Literatura [1] Bašta, I.: Zpracování a záznam signálů. Praha, ČVUT,1995. [] JVC DVD Basics, www.jvcpro.co.uk [3] How it works, www.dvdplusrw.org [4] DVD-RAM - Designed for Data Storage, www.bl.ac.yu [5] DVD-RW WhitePaper, www.pioneerelectronics.com [6] Eyeball to Eyeball, www.opticaldisc-systems.com [7] Understanding the Design of the DVD+RW and DVD+R Disc Format, www.dvdrw.com [8] Optical Storage Media Technology, www.sony.com [9] Reference Guide For Optical Media, www.memorex.com [10] Gutwirth J., W gner T.: OptickÈ a termickè vlastnosti tenkých vrstev systému Ag-Sb-S, Univerzita Pardubice, www.vscht.cz [11] Novák J.: Technologie DVD, http://logout.sh.cvut.cz/~jaryn/pz/referat/referat.html [1] DVD-RAM, www.root.cz