Digitális jelfeldolgozás

Fürjes Andor Tamás

Digitális jelfeldolgozás Rádiós napok – 2001. nov. 7-8.

Fürjes Andor Tamás: Digitális jelfeldolgozás

Studiotech Rádiós napok - 2001. nov. 7-8.

Tartalom Digitalizálás és gyakorlati következményei Jelfeldolgozási alapok Digitális jelátvitel

2



Digitalizálás és következményei – a digitalizálás lépései

Analóg – a hangnyomással azonos elektromos jel Digitalizálás – „számokkal való leírás” - melyik pillanato(ka)t ábrázoljuk számmal? - milyen pontossággal ábrázoljunk? - milyen számábrázolást használjunk?

mintavételezés („sampling”) kvantálás („quantising”) kódolás

A digitalizálás lépései mintavételezés-tartás („sample & hold”)

kvantálás („quantisation”)

szint

idő

3



Digitalizálás és következményei - mintavételezés

Az eredeti jel |P(f)|

p(t) t

f

A mintavételező jel (fS = 1/TS)

|S(f)|

s(t) TS

t

-2fS

A mintavételezett jel

-fS

fS

2fS

f

|P(f)*S(f)|

p(t)s(t) t

f -2fS

-fS

fS

2fS

Következmények: csak az fS/2-ig terjedő alapsáv ábrázolható/kezelhető - sávkorlátozásra van szükség a mintavételezés előtt és visszaalakításnál - az alapsávból kivezető processzálás átlapolódáshoz vezet - túlmintavételezéssel („oversampling”) igeiglenesen lehet kezelni a problémákat 4



Digitalizálás és következményei - kvantálás

A kvantálás: az ábrázolás véges pontossága

Q(p(t))

- a kvantálás egy nemlineáris átmenet - egyenletes/logaritmikus kvantálás - kvantálási lépcső: q p(t)

A kvantálási hiba: torzítás - -q/2 e(t) +q/2 - minél kisebb q, annál kisebb a hiba - torzítás, ezért kellemetlen

Q(p(t)) e(t) = p(t) – Q(p(t)) t

A kvantálási torzítás vagy „zaj” mértéke A kvantálási hiba energiája q2/12, ami zajként modellezve egyenletesen oszlik el az alapsávban. 5



Digitalizálás és következményei – kvantálás II.

A kvantálás utáni kódolás: az értékek ábrázolása - „értelemszerűen” kettes számrendszer: {0, 1} - N-bittel 2N-1-féle amplitúdó írható le - a kvantálási lépcső (q) 1 bitnek felel meg - adott szóhossz (N bit): korlátozott kvantálási tartomány

Q’(p(t)) Clipping FS

p(t)

Jel/zaj viszony egyszerűen SNR ~ 6N [dB]

2N-1-féle érték Clipping

FS – Full Scale

A kvantálás és kódolás következményei - a kvantálás zajjal közelíthető, de nemlineáris torzítás - a pillanatnyi jel/zaj viszony annál jobb, minél nagyobb a kivezérlés - kis amplitúdókon nagy relatív torzítás: „dither” - nagyobb mintavételi frekvencia: adott sávban kisebb kvantálási hiba energia - túlmintavételezés és hibajel-formázás: „noise shaping”

6



Digitalizálás és következményei - jelábrázolás

Fixpontos jelábrázolás MSB

SNRkvantálás LSB

M

jelszint

Lebegőpontos jelábrázolás SNRkvantálás

M

E M2E

jelszint

1-bites jelábrázolás - a pillanatnyi szintnek a pulzussűrűség felel meg - „delta-szigma”: különbségképzés-összegzés t

7



Jelfeldolgozás – szűrés

A digitális jelfeldolgozás elemei y[n] = x[n-m] y[n] = x1[n] + x2[n] y[n] = x1[n] x2[n]

- késleltetés (TS többszöröse) - összeadás (kivonás) - szorzás (osztás)

Normalizált frekvencia: Ω = 2f / fS Előrecsatolt késleltető

Visszacsatolt késleltető y[n]

x[n]

x[n]

y[n] 4TS

4TS 10

15

0

10

Magnitude (dB)

Magnitude (dB)

β

-10 -20 -30 -40

0

0.1

0.2

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Normalized Frequency (×π rad/sample)

0.9

0

0.1

0.2


0.9

1

0

0.1

0.2


0.9

1

100 Phase (degrees)

Phase (degrees)

0 -5 -10

1

100 50 0 -50 -100

5

0

0.1

0.2


0.9

1

50 0 -50 -100

8



Jelfeldolgozás – szűrés II.

Digitális szűrők csak előrecsatolás – véges impulzusválasz (FIR)

visszacsatolás is – végtelen impulzusválasz (IIR)

x[n]

x[n] TS

TS

y[n]

TS

TS α TS y[n] TS

Következmények

β

α

- mintavételezés: a frekvencia-karakterisztikák is ismétlődnek - kvantálás: minden tárolásnál (pl. késleltetés) és szorzásnál kvantálási hiba - túlvezérlődés: összeadóknál, szorzóknál

Általában - tetszőleges pontosság érhető el az amplitúdó- és fázis-karakterisztikákban egyaránt - minden analóg karakterisztikának pontosan megfeleltethető egy digitális szűrő - dinamikus szűrés: a paraméterváltás a visszacsatolások és a kvantálás miatt probléma 9



Jelfeldolgozás – modulációk, összetett jelfeldolgozás

Modulációk - amplitúdó - frekvencia - egyéb...

Dinamikaprocesszálás – amplitúdó moduláció: y(t) = d(t) x(t) 1

d(t)

0.8 0.6 0.4

RMS(t) 0.2 0

x(t)

-0.2 -0.4 -0.6 -0.8

0

0.5

1

1.5

2

2.5

sec

10



Jelfeldolgozás – modulációk, összetett jelfeldolgozás

Amplitúdó-moduláció: nemlineáris művelet Xm(f) Y(f) = Xm(f) * Xv(f) f Xv(f)

f

f

Nemlineáris műveletek - új spektrum-komponensek az eredményben - az alapsávon kívül eső új komponensek visszalapolódnak (mintavételezettség!)

11



Jelfeldolgozás – digitális kontra analóg

Digitális jelfeldolgozás problémák: - sávkorlátozottság (mintavételezés), - különleges torzítási termékek (kvantálás, clipping, aliasing), - különleges eljárások (jelfeldolgozás, dinamikus vezérlés, stb.)

Digitális jelfeldolgozás előnyök: - hardver és szoftver elkülönülése (ugyanaz a hardver sokféle feladatot láthat el) - a hangminőséget a konverterek határozzák meg - tetszőlegesen elérhető pontosság a processzálásban (nincs bizonytalanság) - gyakorlatilag veszteségmentes adattárolás - reprodukálható - automatizálható, távvezérelhető – a vezérlés teljesen független tud lenni

12



Jelfeldolgozás – tömörítések

Tömörítő eljárások - veszteségmentes/veszteséges módszerek - a veszteséges módszerek feltételezik az ideális hangláncot (szubjektív vizsgálatok).

Szempontok - állandó/szabályozható/változó adatsebesség - kódolás-dekódolás számának hallhatósága

Érzékenység a jelfeldolgozással szemben A feltételezett hangszín- és dinamikaarányok felborulnak, a tömörítések hiányosságai hallhatóvá válnak.

13



Digitális rendszerek – jelátvitel

Digitális jelátvitel – adatátvitel - kétcsatornás formátumok (AES/EBU, S/P DIF), - sokcsatornás formátumok (MADI, ADAT, TDIF, Lightwinder, stb.) - adat-formátumok (SCSI, FireWire, ATM, ISDN, stb.)

Digitális jelátvitel – feladatok - zavarvédelem (hibajavító/védő- és csatornakódolás) - bit/szó/blokk szinkron biztosítása

Rendszer-szinkron - készülékről készülékre csak néhány eszköz esetében elfogadható (Master-Slave), - nagyobb rendszer központi órajel-generátort igényel (mindenki Slave). - függetlenítést csak mintavételi frekvencia-konverter biztosíthat.

Jitter – szimbólumszintű szinkronhiba - professzionális eszközökben kettős PLL órajel-regenerálás - központi órajel generátor 14



Digitális rendszerek – jelátvitel II.

AES/EBU - RS-422 alapú, 110 Ω szimmetrikus jelvezetésű (XLR), 2-7 Vpp, aszinkron - 1 csatorna = 1 subframe (X/Y/Z preamble + 24 adatbit + VUCP bitek), - 1 frame = 2 (X+Y vagy Z+Y) subframe - 192 frame = 1 blokk (csatornánként 192 C és 192 U bit, Z subframe jelzi) - 192 C bit: 24 bájt a csatorna tartalmát írja le

X

Y

Z

191. Frame

Y

X

0. Frame

S/P DIF – mint az AES/EBU, de - 75 Ω aszimmetrikus jelvezetés (koax) és 0,5 Vpp, vagy TosLink optikai - a C-bitek értelmezése eltérő

15



Jelfeldolgozás a rádiózásban

Előzmények - az AM rádióadásban a túlmoduláció elleni védelemnek használtak peak-limitert - a 60-as évektől működtek igazi processzorok (pl. Audimax I, 1959), - egészen a 70-es évek végéig nem igazán voltak FM-re szabott processzorok - a peak-limiter mellett: emfázis, gate és kifinomultabb időállandó-állítás - 1971 DAP (Discriminate Audio Processor) – háromsávos kompresszor/limiter/clipper - az FM pilot védelme éles aluláteresztőt kívánt – sztereó generátor integrálása (1975) - megkezdődött a hangosságverseny – kompozit clipper (1982) - 80-as évek: többsávos processzorok, exciter, - Unity 2000i: távvezérlés, digitális és analóg processzálás - első DSP-alapú processzorok: Audio Animation Paragon, Valley, de az analóg jobban szól, - 90-es évek közepe: teljesen digitális processzorok

Digitális jelátvitel a rádiózásban - milyen mintavételi frekvencia? - mintavételi frekvencia konverterek - késleltetés (monitorozás...) (max. 5...7 ms) - stúdió-adó átvitel: lineáris vagy nemlineáris kodek?

16

Digitális jelfeldolgozás

Recommend Documents