Sampling - digitalisering av lyd

1. Sampling
Digitalisering av lyd
HAKON.KVIDAL@NMH.NO

2. Sampling
• Roads, Curtis (1996, s. 9):
The core concept in digital audio recording is
sampling, that is, converting continous analog
signals (such as those coming from a
microphone) into discrete time-sampled
signals.
• AD konvertering:
Fra analogt (A) til digitalt (D)

3. Carl Hakon Waadeland
(2003):
Musikk og klingende
matematikk –
en arv fra Pythagoras”.
Sampling s.9

5. Samplingsfrekvens
• Antall målinger (samplinger) pr. sekund
• Måleenhet Hertz (Hz)

6. Samplingsfrekvens

7. Samplingsfrekvens

8. Samplingsfrekvens

9. Samplingsfrekvens

10. Samplingsfrekvens

11. Samplingsfrekvens
• Høyere sample rate gir mer nøyaktig
beskrivelse av lyden

12. Nyquists samplingsteorem
• For at en sampler skal gi en adekvat representasjon av
en lyd må samplingsfrekvensen være dobbelt så høy
som lydens svingefrekvens.
• fn = (fs/2)
fn er Nyquist frekvensen og fs er samplingsfrekvensen.
• Kun frekvenser som er mindre enn Nyquist frekvensen
vil bli adekvat representert ved sampling

13. Aliasering
• Ved for lav samplingsfrekvens kan sampleren lage en
feilaktig beskrivelse.
• Aliasering: Sampleren registrerer tonen med en frekvens
tonen i virkeligheten ikke har!

14. Aliasering
• Eksempel på visuell aliasering:
Film av hjul som roterer
• 24 bilder pr. sekund
• I virkeligheten roterer hjulet
med klokka.
• På filmen ser det ut som om
hjulet roterer mot klokka, fordi
samplingsfrekvensen (24Hz) er
for lav i forhold til
rotasjonshastigheten.

15. Antialiasering
• Frekvenser høyere enn
halvparten av
samplingsfrekvensen må
filtreres bort for å
forhindre aliasering

16. Antialiasering
• Lowpass filter for å unngå aliasering

17. Bits
• Avlesningsnøyaktigheten langs
spenningsaksen angis i bit

19. Bits
• En byte er en kombinasjon av flere bits
• Wordlength – antall bit som byten består av
• 8-bit word = 256 steps
• 16-bit word = 65,536 steps
• 20-bit word = 1,048,576 steps
• 24-bit word = 16,777,216 steps
• 32-bit word = 4,294,967,296 steps

20. Signal - støy forhold
• 8-bit word =49.8 dB
• 16-bit word =97.8 dB
• 20-bit word = 121.8 dB
• 24-bit word = 145.8 dB
• 32-bit word = 193.8 dB

21. Dither
• Kvantisering og
bitreduksjon
skaper støy
• Dither erstatter
kvantiseringsstøye
n med en mindre
hørbar støy.

22. Hvor høy sample rate bør man bruke?
• Oversampling for bedre kvalitet ved DSP?
• Avhenger av lydkortets kvalitet (AD og DA konvertere)
• Høyere sample rate gir:
– ”Riktigere” gjengivelse
– Gjengir et større frekvensområdet (avhenger også av andre ledd i
signalkjeden)
– Flere feil ved konvertering
– Større datamengde og større CPU last
• Live Electronics: 44,1 kHz sample rate og 24 bit
– God nok lyd
– Høyere samplerate og bit length vil belaste systemet mer uten at det gir
hørbare forbedringer

23. Buffer size
• Buffer: Et mellomlager for samples
• Latency (gangtid)
• Liten buffer
– Fylles raskere og må tømmes ofte.
– Liten latency og stor CPU last
• Stor buffer
– Tømmes sjeldnere enn mindre buffer
– Stor latency og lavere CPU last

24. Oppsummering
• En digital beskrivelse vil alltid være en
tilnærmet beskrivelse. Aldri lik eller eksakt,
men muligens så lik at vi ikke er i stand til å
merke forskjellen.
• Analog er ideelt sett tilsvarende, men den
analoge teknologien har så mange
begrensinger at reproduksjonen ofte blir en
annen enn originalen.

25. Ressurser
• Digital Audio Explained - Samplerate and Bitdepth
https://www.youtube.com/watch?v=BNVVq-iVPy8
• D/A and A/D | Digital Show and Tell (Monty
Montgomery @ xiph.org)
https://www.youtube.com/watch?v=cIQ9IXSUzuM
• The Science of Sample Rates (When Higher Is Better —
And When It Isn’t)
http://www.trustmeimascientist.com/2013/02/04/the-
science-of-sample-rates-when-higher-is-better-and-
when-it-isnt/