Ćwiczenie - Przyrząd wirtualny do konwersji sygnałów dźwiękowych

Pliki dołączone do zasobu:

Opis zasobu:

Przyrząd wirtualny do konwersji sygnałów dźwiękowych może posłużyć do zilustrowania wpływu parametrów konwersji sygnału analogowego na cyfrowy, tj. częstotliwości próbkowania i rozdzielczości bitowej, na jakość brzmienia sygnału. Jest to typowy przyrząd o charakterze dydaktycznym, który można wykorzystać do wspomagania np. nauczania cyfrowego przetwarzania sygnałów. Przyrząd został napisany z użyciem oprogramowania LabView i nie wykorzystuje dodatkowego sprzętu do akwizycji danych. Zatem do jego zbudowania potrzebny jest tylko komputer i odpowiednie oprogramowanie (dołączony program konwersja.exe).

Oczywiście komputer przetwarza tylko sygnały cyfrowe, więc w tym przypadku nie będziemy dysponowali sygnałem analogowym. Zamiast tego, do porównań, będzie używany sygnał cyfrowy zarejestrowany z dużą dokładnością. W przypadku dźwięku będą to sygnały zarejesrtowane częstotliwością próbkowania 44100 Hz i z rozdzielczością 16 bitów. Dla takich parametrów rejestracji nie słychać w sygnałach dźwiękowych żadnych zniekształceń związanych z konwersją analogowo-cyfrową. Będę to nasze sygnały referencyjne.

Na rys. 6.1 przedstawiony jest panel czołowy przyrządu wirtualnego do konwersji sygnałów dźwiękowych. Pierwszą rzeczą, którą należy wykonać jest wczytanie sygnału dźwiękowego. Należy kliknąć myszką ikonę folderu, która znajduje się na końcu pola z nazwą i ścieżką pliku. Wybieramy plik dźwiękowy i ładujemy go do systemu. W polu nazwy powinna się pojawić nazwa pliku wraz ze ścieżką dostępu. Następnie wybieramy parametry konwersji sygnału dźwiękowego. Mamy do dyspozycji częstotliwości próbkowania: 44100 Hz, 22050 Hz, 11025 Hz, 8000 Hz oraz rozdzielczości: 16, 8, 4, 3 bity. W rzeczywistości, w przypadku dźwięku, nie stosuje się rozdzielczości niższych niż 8 bitów. 4 i 3 bity są tu zamieszczone raczej w celach poznawczych. Po wybraniu odpowiedniej częstotliwości próbkowania i rozdzielczości bitowej należy nacisnąć przycisk START. Zostaną policzone i pokazane odpowiednie sygnały: sygnał po próbkowaniu oraz sygnał po próbkowaniu i kwantyzacji. Można zaobserwować różnice między tymi sygnałami. Na rysunku zaprezentowana jest sinusoida, dla której jest bardzo łatwo zinterpretować wyniki. Sygnały można w różny sposób powiększać i przesuwać, korzystając z narzędzia lupy (rys. 6.2). Po przeprowadzeniu próbkowania mamy informację o sygnale tylko w miejscu wystawienia próbki, po przeprowadzeniu kwantyzacji poziomy amplitud próbek zostają sprowadzone do możliwych wartości (w tym przypadku jednej z 64 wartości – 4 bity rozdzielczości). Sygnał może być oceniony wzrokowo. Możemy też posłuchać sygnału oryginalnego oraz przekonwertowanego w celu oszacowanie jego jakości (czy też występujących zakłóceń). Należy zaznaczyć, że sygnał dźwiękowy przed operacją próbkowania jest przepuszczany przez odpowiedni filtr antyaliasingowy w celu uniknięcia zniekształceń. Pasmo częstotliwościowe jest zawsze równe połowie częstotliwości próbkowania (czyli w naszym przypadku 40-4000 Hz). Natomiast operacja kwantowania z użyciem czterech bitów powoduje powstanie bardzo wyraźnego szumu kwantyzacji, będącego wynikiem różnic amplitud próbek sygnału oryginalnego i skwantowanego.

Rys.6.1  Panel czołowy przyrządu wirtualnego do konwersji sygnałów dźwiękowych

Rys.6.2  Przeskalowane sygnały przy użyciu narzędzia lupy

Oczywiście sinusoida nie jest najciekawszym sygnałem dźwiękowym. Weźmy jako następny przykład rzeczywisty sygnał dźwiękowy (muzykę) przekonwertowany z tymi samymi parametrami (8000 Hz, 4 bity). Fragment tego sygnału jest przedstawiony na rys. 6.3. W tym przypadku kształt sygnału jest znacznie bardziej skomplikowany. Można jednak wyraźnie usłyszeć różnice w brzmieniu sygnału oryginalnego i przetworzonego.

Rys.6.3  Analiza sygnału dźwiękowego (muzyka)

Jako dodatkowe ćwiczenie proszę przekonwertować inne sygnały dźwiękowe z różnymi parametrami (częstotliwość próbkowania i rozdzielczość bitowa) i sprawdzić wpływ tych parametrów na brzmienie dźwięku. Jeśli chcemy sprawdzić wpływ tylko jednego parametru, drugi należy ustawić na najwyższą wartość (nie będzie on wtedy zmieniany).