Cyfrowa obróbka dźwięku analogowego

Cyfrowe przetwarzanie dźwięku - dziedzina cyfrowego przetwarzania sygnałów zajmująca się przetwarzaniem sygnałów fonicznych w postaci cyfrowej. Obejmuje w szczególności:

• poprawę jakości sygnału (usuwanie zakłóceń oraz zniekształceń, czyli zastosowanie filtrów),
• zmianę reprezentacji sygnału (np. konwersję częstotliwości próbkowania, zmianę rozdzielczości bitowej),
• dostosowywanie parametrów sygnału do określonych zastosowań (korekcję barwy dźwięku, normalizację, kompresję dynamiki),
• wytwarzanie efektów specjalnych (np. pogłos, chorus, flanger),
• kompresję danych.

Cyfrowe przetwarzanie dźwięku rozwinęło się od lat 70., gdzie ze względu na ograniczoną moc maszyn cyfrowych konieczne było przetwarzanie wsadowe danych cyfrowych reprezentujących dźwięk, zapisywanych na nośnikach magnetycznych i mechanicznych. Obecnie cyfrowe przetwarzanie dźwięku może odbywać się zarówno wsadowo jak i w czasie rzeczywistym, za pomocą dedykowanych urządzeń (procesorów sygnału) jak i specjalistycznego oprogramowania uruchamianego na mikrokomputerach ogólnego przeznaczenia.

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów (CPS; ang. Digital Signal Processing, DSP) - dziedzina nauki i techniki zajmująca się sygnałami w postaci cyfrowej i metodami przetwarzania takich sygnałów. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów i analogowe przetwarzanie sygnałów są gałęziami nadrzędnej dyscypliny: przetwarzania sygnałów. W ramach CPS wskazać można takie obszary jak: cyfrowe przetwarzanie dźwięku, cyfrowe przetwarzanie obrazów oraz przetwarzanie mowy.

Pierwszym etapem cyfrowego przetwarzania sygnałów jest zazwyczaj konwersja sygnału z postaci analogowej na cyfrową za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Często, sygnał przetworzony cyfrowo jest sygnałem wejściowym dla układu analogowego - wymaga to zastosowania przetwornika cyfrowo-analogowego.

Algorytmy Cyfrowego przetwarzania sygnałów są niekiedy realizowane przez specjalizowane urządzenia komputerowe, które korzystają ze specjalizowanych procesorów sygnałowych (ang. Digital Signal Processor, DSP). Pozwalają one na przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym (ang. real time signal processing).

Zastosowania 

Do głównych zastosowań CPS należą przetwarzanie dźwięku, kompresja dźwięku, cyfrowe przetwarzanie obrazów, kodowanie wideo, przetwarzanie mowy, rozpoznawanie mowy i telekomunikacja cyfrowa. Szczególnymi przykładami mogą być: kompresja mowy i transmisja w cyfrowej telefonii komórkowej,filtry DSP w urządzeniach radiokomunikacyjnych pozwalające zwiększyć stosunek sygnału użytecznego do szumu, equalizacja dźwięku w sprzęcie hi-fi, prognozy pogody, prognozy ekonomiczne, przetwarzanie danych sejsmicznych, analiza i kontrola procesów przemysłowych , obrazowanie medyczne takie jak tomografia komputerowa, magnetyczny rezonans jądrowy i efekty cyfrowe używane w gitarach elektrycznych i wzmacniaczach. Ważną dziedziną zastosowań, która znacząco posunęła naprzód badania, technologię i układy DSP była obróbka sygnałów w sprzęcie militarnym, w szczególności technika sonarowa, a potem wraz z rozwojem układów mogących przetwarzać sygnały wyższych częstotliwości - technika radarowa. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów znalazło zastosowanie w nowoczesnym elektronicznym sprzęcie pomiarowym ze zobrazowaniem wyników pomiarów na ekranie. Wielokanałowe cyfrowe przetwarzanie sygnałów stanowi podstawę współczesnych systemów badawczych w radioastronomii.

Dziedziny, w których realizuje się CPS 

W CPS zazwyczaj analizuje się sygnał w jednej z następujących dziedzin: w dziedzinie czasu (sygnały jednowymiarowe), w dziedzinie przestrzeni (sygnały wielowymiarowe), w dziedzinie częstotliwości i w dziedzinie przestrzeni transformaty falkowej.

Dziedzina częstotliwości 

Dziedzina częstotliwości to dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej f – częstotliwości

Sygnały są przekształcane z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości zazwyczaj za pomocą transformacji Fouriera (w praktyce wykorzystuje się FFT). Z wyniku transformaty możemy dowiedzieć się o amplitudzie i fazie poszczególnych składowych częstotliwościowych.

Dziedzina czasu i przestrzeni 

Dziedzina czasu to naturalna dziedzina opisu i analizy sygnałów i układów w funkcji zmiennej t – czasu

Do najpowszechniejszych operacji przetwarzania sygnałów w dziedzinie czasu i przestrzeni należy obróbka sygnału wejściowego w celu poprawienia jego własności. Odbywa się to w procesie nazywanym filtracją. Ogólnie, filtracja sprowadza się do wykonania pewnych operacji na zbiorze próbek wejściowych sąsiadujących z bieżącą próbką, a niekiedy także z wykorzystaniem pewnej ilości poprzednich próbek sygnału wyjściowego. Są różne sposoby charakteryzowania filtrów np:

• Filtr "liniowy" jest liniowym przekształceniem próbek wejściowych; pozostałe filtry określane są jako "nieliniowe". Filtry liniowe spełniają zasadę superpozycji.

• Filtr "przyczynowy" używa wyłącznie poprzednich próbek wejściowych lub wyjściowych; podczas gdy filtr "nieprzycznynowy" do obliczenia aktualnej próbki wyjściowej przyszłych próbek wejściowych. Filtr nieprzyczynowy może być zmieniony w filtr przyczynowy poprzez dodanie do niego opóźnienia.

• Filtr "niezmienny w czasie" ma stałe właściwości w czasie; inne filtry, takie jak np. filtry adaptacyjne zmieniają swoje właściwości w czasie.

• Filtry o "skończonej odpowiedzi impulsowej" (SOI) korzystają tylko z sygnału wejściowego, podczas gdy filtry o "nieskończonej odpowiedzi impulsowej" (NOI) korzystają zarówno z próbek wejściowych jak i poprzednich wartości próbek wyjściowych. Filtry SOI są zawsze stabilne, podczas gdy filtry NOI mogą być niestabilne.

Analogowe przetwarzanie sygnałów

Analogowe przetwarzanie sygnałów – dział techniki dotyczący przetwarzania sygnałów analogowych, czyli takich, które mogą zmieniać się w sposób ciągły. Matematyczne algorytmy przetwarzania analogowego są implementowane w postaci obwodów elektronicznych, układów mechaniczno-pneumatycznych. W obwodach elektronicznych operacje matematyczne takie jak mnożenie czy całkowanie realizują odpowiednie układy rezystorów, kondensatorów, cewek, wzmacniaczy operacyjnych i innych elementów. W przypadku układów pneumatycznych odpowiednie zestawy zbiorników, zaworów i dysz wykonują podobne funkcje.

Dla każdego algorytmu konieczne jest zbudowanie nowego obwodu elektronicznego czy układu pneumatycznego, który może być co najwyżej strojony. Zwykle takiego urządzenia nie da się w żaden sposób przeprogramować do realizacji innej funkcji. Budowanie układów analogowych jest najczęściej bardzo kosztowne ze względu na konieczność zachowania bardzo dużej dokładności i utrudnienia w miniaturyzacji. Każda niedoskonałość powoduje powstawanie błędów. Z tego względu w większości zastosowań przetwarzanie analogowe ograniczone jest do niezbędnego minimum. W przeszłości układy analogowe stosowane były bardzo szeroko, tworząc podstawę wszelkim systemów automatyki czy telekomunikacji. Miniaturyzacja elektroniki przyczyniła się do rozwoju przetwarzania cyfrowego, które prawie całkowicie wyparło analogowe. Układy cyfrowe są tańsze, gdyż produkcja masowa takich elementów jest łatwiejsza do wdrożenia.

Podstawowe wartości fizyczne przetwarzane w elektronicznych obwodach analogowych stanowią:

• napięcie,
• prąd,
• częstotliwość,
• amplituda,
• faza.

Przetwarzanie analogowe jest niezbędne, aby przygotować sygnał odpowiednio dla przetworników analogowo-cyfrowych. Pomiar bardzo małych wartości np. napięcia może zostać dokonany dopiero po odpowiednim ich wzmocnieniu wykonanym w obwodzie analogowym. Podobnie sygnał analogowy pochodzący z przetwornika cyfrowo-analogowego musi najczęściej zostać wzmocniony, aby wysterować elementy wykonawcze takie jak głośnik czy silnik. W specjalnych zastosowaniach przetwarzanie analogowe może być konieczne jako jedyny sposób osiągnięcia bardzo wysokiej jakości sygnału, np. w sprzęcie audiofilskim. W zastosowaniach przemysłowych pneumatyczne układy sterujące są niekiedy stosowane w strefach zagrożonych wybuchem albo promieniowaniem jonizującym.

Mastering - finalny etap procesu realizacji produkcji muzycznej, podczas którego wydobywa się niuanse brzmieniowe realizowanego materiału. Ma to na celu ujednolicenie brzmienia wszystkich utworów (zwłaszcza, gdy materiał nagrywany był w różnych studiach) oraz dostosowanie brzmienia materiału do obowiązujących standardów. Podstawą dla masteringu jest poprzednio przeprowadzone poprawnie brzmiące miksowanie.

Czynność masteringu poprzedza przetworzenie dźwięków na cyfrowe bądź analogowe w zależności od możliwości edycyjnych studia nagraniowego. Stosowane narzędzia obróbki to m.in. korektory, kompresory, limitery dźwiękowe. Inżynierowie masteringu stosują urządzenia analogowe, jednak częściej limitowanie odbywa się przy zastosowaniu nowocześniejszych technologii tj. cyfrowo. Technika cyfrowa jest obecnie wygodna z tego względu, iż pozwala na operowanie całością materiału wyciszaniem końcowych fragmentów utworów muzycznych oraz segmentacji całości na zamierzone utwory.

Dźwięk analogowy - to dźwięk na żywo. Słuchając go nie męczymy się, nie musimy zbyt dużo myśleć, po prostu słyszymy coś i wiemy o co chodzi. Zapis dźwięku w dziedzinie cyfrowej przy obecnych parametrach standardu Philips/Sony (16 bitów/ 44.1 kHz) to dla fanów dźwięku analogowego jednak chyba kompresja stratna. Wszystkie odtwarzacze CD muszą rekonstruować dane, muszą coś wstawiać, filtrować, wygładzać, abyśmy się czuli bardziej zrelaksowani słuchając płyt CD.