Все создаваемые в дальнейшем файлы собирать

1. Ознакомиться с теоретической частью работы.

1. Включить компьютер. Запустить программу Sound Forge.

1. Создать файлы гармонического сигнала частоты 1000 Гц с разным количеством разрядов квантования. Уровень записи 0 дБ.

3.1. Создать файл «Синус 1000-32.wav». Для этого: выбрать File→New; в открывшемся окне установить параметры создаваемого сигнала: частота дискретизации → 44100Гц (стандартная частота для компакт - диска), количество разрядов квантования (Bit-depth) равным 32 bit (IEEE Float) и каналы → Mono; нажать ОК.

3.2. Выбрать последовательно в основном меню: Tools→Synthesis→Simple. В открывшемся окне установить: в выпадающем меню набора предустановок Present→(Untitled); форму волны (Waveform shape)→Sine (синусоидальная); длительность (Length,c)→10 секунд; частота (Start Frequency) →1000Гц; уровень сигнала (Lev.) 0 дБ; вставить новое колебание (Insert new waveform at)→Start of file; ОК.

3.3. Сохранить сформированный сигнал под именем «Синус 1000-32» в формате *wav (Microsoft).

3.4. Создать файлы (см п.п. 3.1.-.3.3) гармонических сигналов частотой 1000Гц и последовательно с количеством разрядов квантования n = 24; n = 16 и n = 8. Сохранить синтезированные сигналы с именами: Синус 1000-24.wav, Синус 1000-16.wav и Синус 1000-8.wav.

1. Произвести анализ записанного гармонического сигнала частотой 1000 Гц с уровнем записи 0 дБ при разных разрядах квантования.

4.1.Вызвать анализатор спектра (АС), последовательно выбирая: View→Spectrum Analysis или сочетанием клавиш Alt+8. Выполнить его настройку (Settings): нажать кнопку в правом верхнем углу панели , в открывшемся окне установить: Preset (Untiiled); FFT size 16384, Smoothing window Blackman-Harris; Freq.min. 100Гц; Freq.max. 10000Гц; Ceiling -10дБ;

Floor -130 дБ; установить птичку в окне Logarithmic graphing. Нажать ОК.

4.2. Загрузить файл: «Синус 1000-32.wav». Зафиксируйте спектр этого сигнала. Для получения спектра сигнала нажать на панели АС клавишу

- обновить. Определить уровни первых четырех наибольших гармоник и занести их значения в табл. 5.1.

4.3. Повторить п. 4.2 последовательно загружая сформированные ранее файлы «Синус 1000-24.wav», «Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-8.wav».

Таблица 5.1.

Зависимость коэффициента гармоник

от числа разрядов квантования

Число разрядов квантования	Амплитуда основной частоты, дБ	Амплитуды гармоник, дБ	К , %

4.4.Файл «Синус 1000-32.wav» будем считать эталонным, а файл «Синус 1000-16.wav» будем называть рабочим.

4.5. Рассчитать для всех разрядов квантования коэффициент гармоник в % по формуле (5.1), подставляя в неё нормированные значения напряжений, определяемых по формуле:

U_i=10^Ni/20, (5.5)

где U_i – нормированное напряжение i – ой гармоники сигнала; N_i – измеренное значение уровня i – ой гармоники сигнала в дБ.

Данные расчета занести в табл. 5.1.

1. Создать файлы гармонического сигнала частоты 1000 Гц с разным количеством разрядов квантования. Уровень записи - 40 дБ.

Считая, что оцифровываемый сигнал имеет динамический диапазон 40дБ, уменьшить уровень гармонического сигнала 1000 Гц всех файлов на

40 дБ.

5.1. Загрузить рабочий файл; выбрать в основном меню: Обработка (Process)→Громкость (Volume). В открывшейся панели выбрать из Набора→Untitled, установить уровень -40дБ. Нажать ОК.

5.2. Сохранить синтезированный сигнал под именем

«Синус 1000-16-40.wav».

5.3. Создать файлы сигналов (см п.п. 5.1. и.5.2) «Синус 1000-32-40.wav» «Синус 1000-24-40.wav» и «Синус 1000-8-40.wav».

1. Произвести анализ записанного гармонического сигнала частотой 1000 Гц с уровнем записи - 40 дБ при разных уровнях квантования.

6.1.Загрузить рабочий файл «Синус 1000-16-40.wav».

6.2.Вызвать анализатор спектра (см. п. 4.1). Получить спектр сигнала. Обратить внимание на форму сигнала (для большей наглядности растянуть масштаб времени, вращая колесо прокрутки «мыши», и увеличить масштаб амплитуды: View→Zom. Level→Window).

6.3. Измерить амплитуды четырёх наибольших основных гармоник сигнала.

6.4.Рассчитать в % коэффициент гармоник по формуле (5.1) с учётом формулы (5.5).

6.5. Данные измерений и расчета занести в табл. 5.2.

6.6. Повторить п.п.6.1.-6.5. для файлов «Синус 1000-24-40.wav.» и «Синус 1000-8-40.wav.».

Таблица 5.2.

Зависимость коэффициента гармоник

от числа разрядов квантования при уменьшении уровня сигнала на 40 дБ

Число разрядов квантования	Амплитуда основной частоты, дБ	Амплитуды гармоник, дБ	К , %

. 3/ сти в талб

1. Определить коэффициент нелинейных искажений методом разностного тона (метод биений). Уровень записи 0 дБ.

7.1. Сформировать 24 - разрядный испытательный сигнал для метода разностного тона.

7.1.1. Создать отдельно два гармонических сигнала 12,1 кГц и 12,9 кГц по методике п.п.3.1-3.2. В обоих случаях установить Bit-depth равным 24bit, а уровень сигнала равным - 6 дБ.

7.1.2. Активизировать курсором мыши файл сигнала 12,1 кГц (или через окно Window); выбрать его: Edit→Select All и скопировать его: Edit→Copy, поместив курсор в начало второго файла с частотой 12, 9 кГц.

7.1.4. Выполнить микширование первого сигнала со вторым: Edit→Paste Special→Mix. В открывшемся окне выбрать набор: Untitled, установить уровни обоих сигналов – 0дБ, окна Invert data должны быть пусты. Нажать ОК.

7.1.5. Закрыть файл первого ЗС.

7.1.6. Сохранить сформированный сигнал под именем «Сумма 24.wav».

7.1.7. Вызвать анализатор спектра, повторив п.4.1, но установив в его настройках: Freq.min.: 200Гц, Freq.max.: 20000Гц, Ceiling: -10дБ, Floor: -150 дБ. Получить спектр сигнала «Сумма 24.wav». Зафиксировать его. Данные измерений занести в табл. 5.3.

7.2. Сформировать 16 - разрядный испытательный сигнал для метода разностного тона.

7.2.1. Использовать методику п.п. 7.1.1. – 7.1.5, но установить Bit-depth равным 16 bit.

7.2.2. Сохранить сформированный сигнал под именем: «Сумма 16.wav».

7.2.3. Вызвать анализатор спектра: View→Spectrum Analysis, сохранив его настройки, указанные в п.7.1.7. Получить спектр сигнала «Сумма 16.wav». Зафиксировать его. Данные измерений занести в табл. 5.3.

7.3. Сравнить спектры сигналов, полученных в п.7.1.7 и п.7.2.3.

7.4. Рассчитать коэффициенты разностного тона К_рт2 и К_рт3 по формулам (5.2) и (5.3) с учётом формулы (5.5). Данные расчета занести в табл.5.3.

Таблица 5.3.

Зависимость коэффициента нелинейных искажений по методу разностного тона от числа разрядов квантования.

Уровень записи 0 дБ.

Число разрядов квантования	U	U	U	U	U	K %

1. Определить коэффициент нелинейных искажений методом разностного тона (метод биений). Уровень записи - 40 дБ.

8.1.Загрузить. файл «Сумма 16.wav», сформированный ранее в п.7.2.2. Уменьшить его уровень на 40 дБ по методике, изложенной в п.5.1.

8.2.Сохранить файл под именем «Сумма 16-40.wav».

8.3. Произвести анализ сигнала по методике п.6. Выполнить расчет коэффициентов разностного тона К_рт2 и К_рт3 по формулам (5.2) и (5.3), используя формулу (5.5). Данные занести в табл. 5.4.

8.4. Сравнить спектры сигналов «Сумма 16.wav» и «Сумма 16-40.wav».

8.5. Загрузить. файл «Сумма 24.wav», сформированный ранее в п.7.1.7. Повторить для него действия п.8.1 и п.8.3. Сохранить файл под именем «Сумма 24-40.wav».

Таблица 5.4.

Зависимость коэффициента нелинейных искажений по методу разностного тона от числа разрядов квантования.

Уровень записи - 40 дБ.

Число разрядов квантования	U	U	U	U	U	K %

1. Определить уровень шумов квантования.

Для оценки уровня шумов квантования использовать созданные ранее восемь испытательных сигналов частотой 1000Гц: «Синус 1000-32.wav», «Синус 1000-24.wav», «Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-8.wav», а также сигналы с уровнем -40дБ: «Синус 1000-32-40.wav», «Синус 1000-24-40.wav», «Синус 1000-16-40.wav» и «Синус 1000-8-40.wav».

9.1. Загрузить файл «Синус 1000-8.wav» с уровнем 0 дБ.

9.2. Установить в рабочее пространство измеритель уровня (ИУ) ЗС, клавишами Alt+6. Для установки диапазона измеряемых им уровней предварительно рассчитать уровень собственных шумов N_ш испытательного сигнала по формуле (5.4). Установить такое значение нижней границы ИУ, чтобы ожидаемое (рассчитанное N_ш) попало бы в его границы. Для этого выбрать: Option→Play Meters→Peak Range→установить галочку у нужного значения. Кроме этой настройки целесообразно на второй всплывающей панели, появившейся после выбора Play Meters, установить птичку в позиции Show Labels.

9.3. Включить воспроизведение ЗС, нажав кнопку ►. Убедиться, что ИУ показывает истинное значение (в первом случае 0дБ).

9.4. Определить уровень шумов квантования. Для этого необходимо из спектра каждого испытательного сигнала вырезать его основную (первую) гармонику. Считая файл «Синус 1000-32.wav» эталонным, т.е. в нём нет нелинейных искажений, вычесть его напряжение из файла исследуемого сигнала. Для этого скопировать эталонный файл в буфер, проделав следующие операции: щёлкнуть на эталонном файле курсором «мыши», выбрать в основном меню: Edit→Select All, далее Edit→Copy.

9.5. Преобразовать исходный сигнал («Синус 1000-8.wav») к той же разрядности, что и эталонный. Для этого щёлкнуть курсором «мыши» на испытательном сигнале и выбрать в основном меню: Proсess→Bit-Depth Converter. В открывшемся меню выполнить следующие установки: Preset→Untitled, Bit-Depth→32bit (IEEE Float), Dither→None, Noise shaping→Off. Нажмите ОК. Установить курсор «мыши» в начало файла.

9.6.Выполнить вычитание из испытательного сигнала эталонного (ранее скопированного в буфер обмена). Для этого выбрать Edit→Paste Special→Mix. В открывшейся панели установить: Preset→Untitled, оба регулятора уровня - в положение 0 дБ, а на панели Destination установить галочку в окне Invert data. Нажать ОК.

9.7. В окне данных файла испытательного сигнала появится файл ошибки квантования. Так как величина этого напряжения мала, то чтобы увидеть этот сигнал следует увеличить масштаб: View→Zoom Level→Window.

9.8. Включить воспроизведение ЗС, нажав кнопку ►. Записать показание ИУ, которое соответствует измеренному значению уровня шума - N_ши. Сравнить это значение N_ши с рассчитанным N_ш.

9.9. Рассчитать уровень собственных шумов N в дБ (или отношение сигнал/шум, выраженное в дБ) по формуле:

N= N_с- N_ши, дБ, (5.6)

где N - уровень собственных шумов; N_с – уровень испытательного сигнала; N_ши – измеренный уровень шумов квантования.

Данные измерений и расчета шумов представить табл. 5.5.

9.10. Провести измерения с остальными двумя сигналами с уровнями 0дБ («Синус 1000-16.wav» и «Синус 1000-24.wav») повторив для них п.п. 9.1-9.9.

При исследовании испытательного сигнала с разрядностью 24bit, напряжение ошибки квантования так мало, что перед измерением напряжения файла ошибки, его необходимо предварительно усилить на 20 дБ. Для этого щёлкнуть на нём курсором «мыши», выбрать Process→Volume и в открывшейся панели установить движок регулятора в положение 20 дБ. Нажать ОК. Однако после проведения измерений уровня ошибки квантования необходимо из показаний ИУ вычесть эти 20 дБ.

9.10. Измерить уровень шума квантования для сигналов с уровнями -40 дБ, считая эталонным для них сигнал «Синус 1000-32-40.wav», Измерение уровня шума квантования в сигналах «Синус 1000-8-40.wav», «Синус 1000-16-40.wav» и «Синус 1000-24-40.wav» выполнить по методике, изложенной в пп.9.1-9.9.

Таблица 5.5.

Определение уровней шума

1. Исследовать влияние форматов на сигнал «Синус 1000-16.wav».

10.1. Включить колонки.

10.2. Загрузить рабочий файл «Синус 1000-16.wav». Сохранить его в формате МP3 Audio (*/mp3), установив скорость цифрового потока из шаблона – 128 кбит/с. Получить спектр этого сигнала, вызвав анализатор спектра (см. п.п. 4.1-4.2).

10.3. Сохранить рабочий файл «Синус 1000-16.wav» в формате Windows Media Audio (*.wma), установив скорость цифрового потока– 128 кбит/с. Получить спектр этого сигнала (см. п.п 4.1-4.2).

10.4. Сравнить спектры сигнала, полученные в форматах (*.wav), (*/mp3), (*.wma). Сравнить звучание сигнала в разных форматах. Итоги отразить в табл.5.6, А.

1. Исследовать влияние форматов на сигнал файла «Сумма-16.wav».

Повторить пп. 10.2-10.4 для этого сигнала. Итоги отразить в табл.5.6, В.

1. Исследовать воздействие аналого-цифрового преобразования на реальный звуковой сигнал.

12.1. Создать файл реального музыкального сигнала. Возможно создать его предварительно дома или воспользоваться имеющимися в папке «Исходные сигналы» в последовательных вложениях: «Исходные сигналы»→«Исходные звуковые сигналы» →«Музыка». Из последней папки выбрать известное Вам или наиболее понравившееся музыкальное произведение, желательно с вокалом.

12.1.Уменьшить количество шагов квантования этого файла, путём уменьшения длины кодового слова. Для этого выбрать на панели инструментов клавишу Process (обработка) и в спадающем меню выбрать Bit-Depth Converter (преобразовать разрядность). В появившемся окне можно выбрать типовой набор. Но для большей заметности этой

Таблица 5.6,А

Выбор формата записи сигнала

Файл «1000-16.wav»; Vцп = 128 кбит/с

Таблица 5.6,В

Выбор формата записи сигнала

Файл «Сумма-16.wav»; Vцп = 128 кбит/с

Таблица 5.7

Выбор формата и скорости записи сигнала

Реальный звуковой сигнал, n =16

операции на имеющейся аппаратуре установить набор Untitled, количество разрядов квантования (Bit Depth) - 8, Dither (размытие) – None и Noise shaping (форма шума) – Off. Нажать ОК. Прослушать и убедиться в появлении заметных шумов. Чем можно объяснить их появление?

12.2.Используя файл ЗС, сформированный в п.12.1, увеличить количество разрядов квантования по методике изложенной в этом же пункте, установив количество разрядов квантования 16 или 24. Прослушать сформированный файл ЗС. Как изменилось его звучание, что стало с уровнем шума?

12.3.Загрузить музыкальный ЗС формата *.wav, сформированный в п.12.2 с количеством разрядов 16. Преобразовать его последовательно в формат *.mp3 и *.wma с разными значениями скорости цифрового потока через процедуру: File→Save As, добавляя к имени файла реального ЗС значение скорости цифрового потока. Сравнить их звучание. При какой скорости цифрового потока ЗС в формате *.mp3 или *.wma уверенно заметно ухудшение звучания по сравнению ЗС в формате *.wav. Отразить результат в табл. 5.7.

Содержание отчёта

1. Таблицы с результатами измерений 5.1.-.5.6.

1. Выводы по результатам таблиц.

1. Выводы о возможностях использованного ПП Sound Forge как инструмента для проведения измерений.

Контрольные вопросы

1. Как влияет количество уровней квантования на величину нелинейных искажений? Почему?

1. Как влияет количество уровней квантования на уровень шума квантования? Почему?

1. Как связано количество уровней квантования с длиной кодового слова?

1. Как изменяются нелинейные искажения при изменении уровня входного сигнала? Почему?

1. Влияет ли уровень входного сигнала на уровень шума квантования?

1. Как связан уровень собственных шумов с уровнем входного сигнала?

1. Как влияет увеличение количества уровней квантования на скорость цифрового потока и на длительность звучания компакт-диска?

1. Файл сигнала какого формата (*.wav или *.mp3) имеет наименьшую скорость цифрового потока?

1. Файл сигнала какого формата (*.wav или *.wma) имеет наименьшую скорость цифрового потока?
2. Почему несмотря на существенное различие в спектрах ЗС форматов *.wav, *.wma и *.mp3 разница в их звучании малоразличима (при определённых значениях скорости цифрового потока сигналов форматов *.wma и *.mp3)?

1. Почему при уменьшении количества разрядов квантования ЗС увеличивается его уровень шума, а позже, при увеличении разрядности – не уменьшается?

Литература

1. Sound Forge 9 с нуля! Книга+видеокурс/ Под общ. ред. В.И.Печникова. – М.: Лучшие книги, 2008.

1. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. – М.: Мир, 1991.