EMUTE-MUSIIKKITEKNOLOGIASIVUSTO
Emute

Digitaalinen ääni, osa 2 - Digitaalisen äänisignaalin syntyminen

Kirjoittanut Klas Granqvist | 14.09.2013

Digitaalinen signaali eroaa monella tavalla analogisesta signaalista - siinä on omat etunsa mutta myös haittansa. Miten digitaalinen signaali syntyy ja mikä se on?

Digitaalinen signaali ja sen käsittely on yksi osa äänen signaalitiestä. Kuten analoginenkin signaali, kulkee digitaalinen signaali jonkinlaista johdinta pitkin laitteesta toiseen tai laitteen sisällä. Nykyisin digitaalisen signaalin reitittäminen myös langattomasti on mahdollista, koska suurelta osin digitaalinen verkotettu ääni käyttää samoja komponentteja kuin jokapäiväinen tietoliikennekin. Langaton siirtotie on äänen osalta kuitenkin harvinaisempi, koska sen vaatima kaistanleveys ja siinä liikkuva tietomäärä on verrattain suuri.

Vaikka siirtotie saattaakin olla mekaanisesti samanlainen, erotaa analogisen ja digitaalisen signaalin toisistaan kuitenkin yksi merkittävä tekijä. Kun analoginen signaali voidaan todeta ja mitata johtimessa jatkuvana ja portaattomana jännitteen muutoksena minimi- ja maksimiarvon välillä, ilmenee digitaalisignaali hyvin nopeina jännitteen vaihteluina minimiarvosta maksimiin tai päinvastoin. Tämä vaihtelu voi olla myös ledin aikaansaamaa valoisuuden muuttumista. Kummallekin digitaalisen signaalin fyysiselle ilmenemismuodolle on ominaista se, että se pyrkii ilmaisemaan vain kahta eri arvoa sekä muutoksia niiden välillä - digitaalinen signaali koostuukin aina sarjasta numeroita, nollia ja ykkösiä, joita kutsutaan biteiksi.

Siinä, missä analoginen ääni on jatkuvasti muuttuva signaali, on digitaalinen signaali aina hetkellinen otos äänestä ja se on pyöristetty johonkin likiarvoon. Näin ollen digitaalisesta signaalista uudelleen luotu analoginen signaali ei koskaan ole täsmälleen samanlainen kuin alkuperäinen, mutta nykyisillä laitteistoilla sen voidaan usein katsoa olevan jo riittävän paljon alkuperäisen kaltainen.

Digitaalisen signaalitien ensimmäinen piste on AD-muunnin. Tämä muunnin analysoi siihen saapuvan analogisen äänen ja ottaa siitä tietyin väliajoin näytteen. Tämän näytteen arvo pidetään aina seuraavaan näytteen ottoon saakka. Kahden näytteen ottamisen välisen ajan määrittelee näytteenottotaajuus, yksi digitaalisen signaalin laadun tärkeimmistä tekijöistä. Tyypillisesti tämä näytteenottotaajuus on niin suuri, että analogisesta äänestä otetaan tuhansia, jopa kymmeniätuhansia näytteitä sekunnissa. Esimerkiksi CD-levyllä olevan äänen näytteenottotaajuus on 44,1 kHz eli äänestä otetaan 44100 näytettä sekunnissa. Ammattimaisissa äänityöasemissa kyetään nykyisin 192 tai 384 kHz näytteenottotaajuuteen.

 
Ääniaalto ja AD-muuntimen näyttenottohetket (punaiset pisteet)

Toinen digitaalisen äänen laatuun vaikuttava tekijä on sanapituus, josta usein käytetään myös termiä bittisyvyys. Tämä kertoo sen, kuinka monella bitillä näytteenottohetken äänen voimakkuus ilmaistaan. Jos näytteenotto tapahtuu 16-bittisenä, ilmaisee näytteen arvoa 16 binääristä yksikköä eli arvoa 0 tai 1, ja näyte voi näin ollen saada 216 eli 65536 eri arvoa. Sanapituuden nostaminen 24 bittiin mahdollistaa jo yli 16 miljoonaa eri arvoa.

Kun näyte analogisesta on otettu, ei AD-muunnin tee mitään ennen seuraavaa näytteenottoa, vaan pyrkii säilyttämään edellisen näytteen arvo säilytetään siihen saakka. Seuraavalla näytteenottohetkellä uuden näytteen arvo muunnetaan jälleen binääriseen tietoon ja tämä arvo pidetään aina seuraavaan näytteenottoon saakka. Näin näytteenoton tuloksen syntyvä digitaalinen ääniaalto ei ole muodoltaan jatkuva, vaan "kulmikas". Tämä kulmikkuus aiheuttaa myös hyvin korkeita, normaalisti ihmisen kuuloalueen ulkopuolella olevai ylä-ääneksiä, jotka kuitenkin suodatetaan pois muunnetusta signaalista.


AD-muuntimen synnyttämä kvantisoitu, "kulmikas", digitaalinen ääniaalto.

AD-muuntimessa varsinainen näyte on edelleen analogista tietoa, joka heti näytteistyksen jälkeen koodataan digitaaliseen muotoon. Koska itse näytteenotto on analogista tietoa eikä se ole jatkuvaa, liittyy muuntimeen näytteenottotaajuuden ja sanapituuden lisäksi muitakin laadullisia tekijöitä, joista kahta keskeisintä kutsutaan saavutusajaksi ja painunnaksi tai pudotukseksi. Saavutusaika määrittää sen ajan, joka kuluu AD-muuntimen muunnoksen aloitusajasta valmiiseen muunnokseen. Koska muuntimeen saapuvan analogisen signaalin arvo saattaa muuttua näytteistyksen aikana, on tarkoituksenmukaista pyrkiä mahdollisimman pieneen saavutusaikaan. Pudotus eli painunta kertoo sen, kuinka paljon muuntimen näytteistämä analoginen arvo muuttuu kahden muunnoksen välissä - mitä pienempi painunta, sen pienempi virheen mahdollisuus on kahdessa perättäisessä näytteessä ja muunnos on laadukkaampi.

Kuvat

Klikkaa suuremmaksi

Katso myös