Введение
Электронная обработка аудиосигналов
Обработка аудиосигналов — это подраздел обработки сигналов, занимающийся электронной обработкой аудиосигналов. Аудиосигналы представляют собой электронные представления звуковых волн — продольных волн, распространяющихся в воздухе и состоящих из сжатий и разрежений. Энергия, содержащаяся в аудиосигналах, или уровень звуковой мощности обычно измеряется в децибелах. Поскольку аудиосигналы могут быть представлены в цифровом или аналоговом формате, обработка может выполняться в любой из этих областей. Аналоговые процессоры работают непосредственно с электрическим сигналом, а цифровые — математически с его цифровым представлением.
История
Мотивация для обработки аудиосигналов возникла в начале 20-го века с изобретением телефона, фонографа и радио, которые обеспечили передачу и хранение аудиосигналов. Обработка аудио была необходима для раннего радиовещания, поскольку существовало множество проблем со связью между студией и передатчиком. Теория обработки сигналов и ее применение к аудио в значительной степени были разработаны в лабораториях Белла в середине 20-го века. Ранние работы Клода Шеннона и Гарри Найквиста в области теории связи, теории дискретизации и импульсно-кодовой модуляции (PCM) заложили основу для этой области. В 1957 году Макс Мэтьюз стал первым человеком, синтезировавшим звук с помощью компьютера, что дало начало компьютерной музыке. К основным достижениям в области цифрового аудиокодирования и сжатия аудиоданных относятся дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM) Ч. Чапина Катлера в лабораториях Bell в 1950 году, линейное предсказательное кодирование (LPC) Фумитады Итакуры (Университет Нагои) и Шузо Сайто (Nippon Telegraph and Telephone) в 1966 году, адаптивная DPCM (ADPCM) П. Каммиски, Никила С. Джаянта и Джеймса Л. Фланагана в лабораториях Bell в 1973 году, кодирование дискретного косинусного преобразования (DCT) Насира Ахмеда, Т. Натараджана и К. Р. Рао в 1974 году и модифицированное дискретное косинусное преобразование (MDCT) кодирование J. P. Принсена, А. В. Джонсона и А. Б. Брэдли в Университете Суррея в 1987 году. LPC является основой для перцептивного кодирования и широко используется в кодировании речи, в то время как кодирование MDCT широко используется в современных форматах аудиокодирования, таких как MP3 и Advanced Audio Coding (AAC).
Аналогичные
Аналоговый звуковой сигнал – это непрерывный сигнал, представленный электрическим напряжением или током, который аналогичен звуковым волнам в воздухе. Аналоговая обработка сигнала подразумевает физическое изменение непрерывного сигнала путем изменения напряжения, тока или заряда посредством электрических схем. Исторически, до широкого распространения цифровых технологий, аналоговый метод был единственным способом манипулирования сигналом. Однако, с развитием и удешевлением компьютеров и программного обеспечения, обработка цифровых сигналов стала предпочтительным методом. Тем не менее, в музыкальных приложениях аналоговые технологии часто остаются востребованными, поскольку они нередко создают нелинейные характеристики, которые сложно воспроизвести с помощью цифровых фильтров.
Цифровая
Цифровое представление выражает звуковую волну в виде последовательности символов, как правило, двоичных чисел. Это позволяет осуществлять обработку сигнала с помощью цифровых схем, таких как цифровые процессоры сигналов, микропроцессоры и компьютеры общего назначения. Большинство современных аудиосистем используют цифровой подход, так как методы цифровой обработки сигналов значительно мощнее и эффективнее, чем аналоговая обработка сигналов.
Приложения
Методы обработки и области применения включают хранение, сжатие данных, извлечение музыкальной информации, обработку речи, локализацию, акустическое обнаружение, передачу, шумоподавление, акустическое распознавание отпечатков, распознавание звука, синтез и улучшение (например, эквализация, фильтрация, компрессия уровня, удаление или добавление эха и реверберации и т.д.).
Аудиовещание
Обработка аудиосигнала применяется при вещании аудиосигналов для улучшения их качества или оптимизации полосы пропускания и задержки. В этой области наиболее важная обработка звука происходит непосредственно перед передатчиком. Аудиопроцессор в этом случае должен предотвращать или минимизировать перемадуляцию, компенсировать нелинейность передатчиков (что может быть проблемой при средневолновом и коротковолновом вещании) и регулировать общую громкость до необходимого уровня.
Активный шум
Активное шумоподавление — это технология, предназначенная для снижения нежелательного звука. Путем создания сигнала, идентичного нежелательному шуму, но с обратной фазой, эти два сигнала гасятся в результате деструктивной интерференции.
Синтез звука
Аудиосинтез — это электронная генерация звуковых сигналов. Музыкальный инструмент, выполняющий это, называется синтезатором. Синтезаторы могут как имитировать существующие звуки, так и создавать новые. Аудиосинтез также применяется для генерации человеческой речи посредством синтеза речи.
Аудиоэффекты
Аудиоэффекты изменяют звук музыкального инструмента или другого звукового источника. К распространенным эффектам относятся дисторшн, часто используемый с электрогитарой в электроблюзе и рок-музыке; динамические эффекты, такие как педали громкости и компрессоры, влияющие на уровень громкости; фильтры, такие как педали вау-вау и графические эквалайзеры, изменяющие частотные диапазоны; модуляционные эффекты, такие как хорус, фленджеры и фейзеры; эффекты изменения высоты тона, такие как питч-шифтеры; и временные эффекты, такие как реверберация и дилэй, создающие эхо и имитирующие звучание различных помещений. Музыканты, звукорежиссеры и музыкальные продюсеры используют эффекты во время живых выступлений или в студии, как правило, с электрогитарой, бас-гитарой, электронными клавишными или электропианино. Хотя эффекты чаще всего применяются к электрическим или электронным инструментам, их можно использовать с любым источником звука, например, с акустическими инструментами, барабанами и вокалом.