ANALOGOWY I

CYFROWY ZAPIS

DŹWIĘKU

Jagoda Stępniak

Kl. T III F

Spis treści



Technika analogowa



Zapis analogowy
dźwięku



Problemy
jakościowe



Krótkie
podsumowanie



Zapis cyfrowy
dźwięku



Próbkowanie



Kwantyzacja



Kodowanie



Zapisywanie
dźwięku cyfrowego



Problemy
jakościowe



Metody
minimalizowania
problemów



Kompresja danych



Określenie
parametrów

Technika analogowa



Co oznacza termin "technika analogowa"?
Mówiąc najprościej, jest to obróbka
sygnałów w ich podstawowej niezmienionej
(naturalnej), ciągłej postaci, czyli w ich
naturalnym widmie częstotliwościowym.



Ciągła postać oznacza w praktyce że:
jeśli zakres zmienności sygnału wynosi od
0 do 1, to jego wartość (amplituda) może
w dowolnej chwili przyjąć dowolną wartość
z tego przedziału i jest określona w całym
okresie trwania sygnału.

Spis

treści

Zapis analogowy
dźwięku



Zapis analogowy oznacza, że sygnał
jest rejestrowany na nośniku właśnie w
naturalnej, ciągłej postaci. Jedyny
zabieg, jakiemu sygnał jest poddany,
to ewentualnie modulacja,
umożliwiająca trwały zapis.



Klasyczny przypadek zapisu w technice
analogowej to np.: zapis dźwięku na
taśmie magnetofonowej, lub obrazu na
taśmie magnetowidu VHS.



Taśma magnetyczna przesuwa się przed
głowicą zapisującą. Głowica wytwarza
zmienne pole magnetyczne, dokładnie
odwzorowujące przebieg zapisywanego
sygnału. Dzięki oddziaływaniu pola na
taśmę, sygnał analogowy zostaje w niej
odwzorowany w postaci tzw. pozostałości
magnetycznej, czyli lokalnych zmian
namagnesowania nośnika.



Zarejestrowany w ten sposób sygnał ma
przebieg dokładnie odzwierciedlający
przebieg źródła, jednak jest obciążony
poważnymi problemami jakościowymi.

Spis

treści

Problemy jakościowe



Wszelkie szumy, przydźwięki i zakłócenia,
jakie powstają w układach elektronicznych
toru zapisu oraz w połączeniach kablowych
sumują się z sygnałem użytecznym,
zniekształcając jego przebieg i obniżając
jakość późniejszego odtwarzania



Wraz z kolejnymi cyklami odczytu, wskutek
bezpośredniego kontaktu głowicy z nośnikiem,
stopniowemu zniszczeniu ulega warstwa
ferromagnetyczna przechowująca pozostałość
magnetyczną, a tym samym spada wierność
nagrania, zanikają jego szczegóły

Spis

treści

Krótkie podsumowanie



Olbrzymią zaletą (niemożliwą do
uzyskania w technikach cyfrowych)
jest ciągłe odwzorowanie sygnału,
przetwarzanie go w naturalnej
postaci



Zasadniczą wadą jest trudność w
eliminacji zakłóceń i szumów, której
skutkiem jest słaba dynamika
sygnału oraz niska wartość stosunku
sygnał/szum.

Spis

treści

Zapis cyfrowy dźwięku



W technice cyfrowej sygnał przetwarzany
jest z postaci naturalnej, ciągłej, do
reprezentacji numerycznej, czyli ciągu
dyskretnych wartości liczbowych.



Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C)
składa się z trzech podstawowych
procesów:

1.

Próbkowania

2.

Kwantyzacji

3.

Kodowania.

Spis

treści

Próbkowanie



Polega na określeniu wartości
sygnału ciągłego w określonych
odstępach czasu. "Chwile
próbkowania" są określone przez
częstotliwość próbkowania, jeden z
podstawowych parametrów
przetwarzania A/C



Wskutek tego procesu, zamiast przebiegu
ciągłego (analogowego), określonego w całym
przedziale czasowym, uzyskujemy zbiór
dyskretnych wartości, które można przedstawić
jako tzw. przebieg schodkowy, ponieważ w
okresach czasu dzielących pobranie kolejnych
próbek jego wartość jest stała.



Oczywiste jest, że w miarę wzrostu częstotliwości
próbkowania, wynikowy przebieg schodkowy
coraz wierniej przybliża kształt przebiegu
analogowego. Zgodnie z teorią przetwarzania
sygnałów, minimalna częstotliwość próbkowania
musi być dwukrotnie wyższa od granicznej
częstotliwości przetwarzanego sygnału.

Spis

treści

Kwantyzacja



W tym kroku, wartości sygnału uzyskane
drogą próbkowania (należące nadal do
całego zakresu zmienności sygnału)
zostają "zaokrąglane" w taki sposób, by
można je było przedstawić przy pomocy
skończonej liczby wartości, wynikającej z
tzw. rozdzielczości przetwarzania.
Mówiąc w dużym uproszczeniu, np.:
wartości z przedziału 0-0,1 zostają
określone jako 0,1, 0,1 -0,2 jako 0,2 itd.

Spis

treści



Na tym etapie powstaje tzw. błąd
kwantyzacji, wynikający z tego, że
reprezentując ciągły zakres zmienności
sygnału przy pomocy kilku wartości
dyskretnych, tracimy bezpowrotnie
informację o małych zmianach w
obrębie przedziałów pomiędzy
sąsiednimi wartościami. Błąd ten jest
tym większy im mniejsza jest liczba
przedziałów kwantyzacji (mniejsza
rozdzielczość).

Spis

treści

Kodowanie



Na tym etapie liczbowe kody dyskretnych
wartości, do jakich został sprowadzony sygnał
źródłowy, zostają zapisane w postaci
liczbowej, czyli w przypadku binarnej techniki
cyfrowej, w formie liczb zapisanych w
systemie dwójkowym, ciągu zer i jedynek.



Przetwarzanie cyfrowo-analogowe, z którym
mamy do czynienia przy odtwarzaniu sygnału,
polega, mówiąc w skrócie, na przetworzeniu
ciągu liczb na przebieg schodkowy, a
następnie na filtracji wygładzającej tak, by
przybliżał początkowy sygnał analogowy.

Spis

treści

Zapisywanie dźwięku cyfrowego



Uzyskany w ten sposób sygnał cyfrowy jest
zapisywany na nośniku. Zamiast sygnału
analogowego, urządzenia rejestrują ciąg 0 i
1. Zamiast nieskończonej liczby amplitud
sygnału analogowego, uzyskujemy dwie
dyskretne wartości.



Dzięki temu, że zapisujemy, a następnie
odczytujemy jedynie dwa stany logiczne
(1/0, wysoki/niski, H/L, prawda/fałsz),
możliwe jest skuteczne zabezpieczenie się
przed wpływem zakłóceń i zniekształceń.



Jeśli przyjmiemy, że np.: 0 logiczne zapisujemy jako
amplitudę -0,5V, a 1 jako +0,5V, łatwo możemy sobie
wyobrazić, iż szumy i zakłócenia, nawet na poziomie
0,1V (czyli 10%) nie wpłyną na prawidłowość
dekodowania tak znacznie odbiegających od siebie
poziomów.



Podobnie, zużycie lub częściowe rozmagnesowanie
taśmy, na której sygnał został zapisany, sprawi, że
zamiast +/-0,5V zostaną odczytane poziomy +/-0,3V,
ale nadal prawidłowo będzie zdekodowany ciąg 0 i 1,
czyli prawidłowa postać sygnału.



W celu dalszej eliminacji zakłóceń, w zapisie
cyfrowym są stosowane przeróżne mechanizmy
zabezpieczeń, takie jak suma kontrolna, przeplot,
kodowanie blokowe i kanałowe, umożliwiające nawet
rekonstrukcję zniekształconych danych.

Spis

treści

Problemy jakościowe



Bardzo ważna jest prawidłowa
synchronizacja zapisu, a następnie
odtworzenie przebiegu synchronizującego w
trakcie odczytu, będące zasadniczym
warunkiem prawidłowego przetworzenia C/A



W procesie kwantyzacji tracimy część
szczegółów przebiegu sygnału (tzw. Błąd
kwantyzacji), sygnał analogowy uzyskany
następnie w wyniku przetwarzania C/A
odbiega więc od pierwotnego sygnału
analogowego.

Spis

treści

Metody minimalizowania
problemów



Aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie
cyfrowe sygnału analogowego, można
zwiększyć częstotliwość próbkowania -
uzyskany w ten sposób przebieg schodkowy
będzie bardziej zagęszczony.



Podobnie, aby zmniejszyć błąd kwantyzacji
( "zaokrąglania" wartości poszczególnych
schodków), czyli zwiększyć odstęp
Sygnał/Szum, można zwiększyć rozdzielczość
przetwarzania, czyli liczbę bitów, przy
pomocy których kodujemy wartość sygnału.

Obydwie metody prowadzą

jednak do radykalnego

zwiększenia ilości danych

powstających w wyniku

przetwarzania.

Spis

treści

Kompresja danych



Kolejnym zagadnieniem związanym z
cyfrowym przetwarzaniem sygnałów
analogowych jest kompresja cyfrowych
danych uzyskanych w wyniku
przetwarzania.



Ogromne ilości danych (rzędu setek GB)
można wydajnie, przy zastosowaniu
wyszukanych algorytmów, skompresować
- tak, by było możliwe zapisanie
materiału cyfrowego na dostępnych
nośnikach.

Spis

treści

Określenie parametrów



Określenie optymalnych parametrów
przetwarzania wymaga dokładnej analizy,
stosuje się różne kroki pośrednie, m. in.
nadpróbkowanie (oversampling), często
połączone ze zmniejszaniem
rozdzielczości przetwarzania, decymację,
czyli selekcję wybranych próbek sygnału.



Dokładniejszy opis tych procesów można
odnaleźć w literaturze fachowej z zakresu
przetwarzania sygnałów.

Koniec



Źródło:

jkluczewski.republika.pl/utk/utk_02

1_zapis_dzwieku.pdf



Wykonanie pracy:

Jagoda Stępniak



DZIĘKUJĘ ZA UWAGE! 