Audiosignaali töötlus

Audiosignaali töötlus või audiotöötlus on helisignaalide tahtlik muutmine, mida tehakse mitmesuguste helitehniliste puuduste mõju nõrgestamiseks, aga seda võidakse teha ka soovitud helitehniliste efektide saavutamiseks, mida tehakse tihti heliefekti või -efektide seadmega.

Helisignaalid võivad elektrilisel kujul olla esitatud analoog- või digitaalformaadis. Vastavalt tuleb signaalitöötlust teostada signaali analoog- või digitaaltöötluse vahenditega.

Analoogprotsessorid muudavad otse audiosignaalile vastavat elektrisignaali, näiteks filtrite abil. See toimub signaali allika seisukohalt vaadates reaalajas ja vaid elektriahelate faasinihetega määratud väikese hilistumisega ajas.

Digitaalprotsessorid muundavad digitaalkujul esitatud audiosignaali sellega matemaatiliste operatsioonide teostamise teel. Sellega on reeglina seotud signaalitöötluseks kasutatava algoritmiga määratud signaali hilistumine, mis võib ulatuda sekunditesse.

Audiosignaal

 Pikemalt artiklis Audiosignaal

Audiosignaalid on elektrilised esitused helina tajutavatest keskkonna võnkumistest, mis on oma olemuse poolest pikilained, mis levivad läbi keskkonna (õhu) ning koosnevad ruumis järgnevatest kokkusurumistest ja hõrendamistest. Audiosignaaliks on nende kohtade rõhu erinevus keskkonna keskmisest rõhust.

Heliintensiivsusest sõltuvat helitugevuse taset mõõdetakse tavaliselt detsibellides võrdlustaseme (referentsnivoo) suhtes. Tavaliselt võetakse võrdlustasemeks inimese standardse kuuldelävele vastav heliintensiivsus (nn 0 dB tase). Reaalsed kasutatavad audiosignaalid võivad olla sellest tugevamad miljon korda (120 dB) ja enamgi. Vaikne kõne on näiteks tasemega kuni 1000 korda üle kuuldeläve ehk 60 dB.

Helitehnikas kasutatakse võrdlustasemena (0 dB) ka maksimaalset võimalikku (kui digitaalkoodis on kõik koodi bitid väärtusega "1") või soovitatavat signaali maksimaalset taset (stuudiotehnikas näiteks 1 mW 600-oomises koormuses ehk 0,775 V). Inimese standardsele kuuldelävele vastavad siis 20-bitise kahendkoodina esitatult 00000000000000000001 ja analoogsignaali puhul pinge 0,000000775 V ehk 0,775 μV ehk –120 dB. Sellise skaala kasutamisel on signaali nivood detsibellides väljendatuna negatiivsed arvud.

Ajalugu

Varases audiosignaalide edastamise ja salvestamise tehnikas kasutati audiosignaali töötlemiseks mehaanilisi vahendeid – ruuporit helitugevuse suurendamiseks või heli suunamiseks, torusid ja kanaleid heli juhtimiseks mõne elemendi mehaanilist resonantsi kõrgemate sagedustega signaalide (sahin) summutamiseks jms.

Audiosignaali töötlemisest tänapäevasemas mõttes võib rääkima hakata alles alates helisignaali elektriliseks signaaliks muundamisest XIX sajandi lõpul ja elektriliste ja elektroonsete audiosignaali edastamise vahendite kasutuselevõtmisest XX sajandi esimese veerandi teises pooles – elektromehaanilise helisalvestuse ja raadioringhäälingu laialdase kasutuselevõtmise kujul.

Näiteks oli signaalitöötlus vajalik varajases raadiolevis, kuna esines mitmeid signaalitehnilisi probleeme stuudio ja raadiosaatja vahelises pika vahemaa taha toimuvas ühenduses.

Klassikalisteks analoogtöötluse näideteks on heliplaadi salvestamisel ja taasesitamisel kasutatavad nn RIAA-korrektsioonid, sageduslik eelmoonutus ja selle kõrvaldamine FM-raadioringhäälingus, ning sageduskorrektsioonid magnetilise helisalvestuse juures (magnetofonides).

Analoogsignaalid

 Pikemalt artiklis Analoogsignaal

"Analoog" tähistab midagi, mis on matemaatiliselt esindatud pidevate väärtustena. Näiteks analoogkell kasutab pidevalt liikuvaid seiereid füüsilisel kella pinnal, kus liikuvad seierid muudavad otse informatsiooni, mida see kell edastab. Seega analoogsignaal on esindatud pideva andmevoona, näiteks elektrilülituse pinge, voolu või laengute muutuse näol (vs. digitaalsignaalid).

Analoogsignaalitöötlus tähendab pidevate signaalide füüsilist moondamist – signaali pinge, voolu või laengu muutmist ühe või mitme erineva elektrilise või elektroonse abivahendi kaudu.

Ajalooliselt, enne laialdast digitaaltehnoloogia kasutamist, oli analoogsignaalitöötlus ainuke viis signaali muutmiseks. Sellest ajast saati, kui arvutid ja tarkvara said rohkem arenenuteks, hakkas digitaalne signaalitöötlus muutuma üha rohkem eelistatumaks valikuks.

Digitaalsignaalid

 Pikemalt artiklis Digitaalne signaalitöötlus

Digitaalne esitusviis väljendab signaali sümbolite jadana, tavaliselt kahendarvude jadana. See võimaldab kasutada signaali töötlemiseks digitaalelektroonikat, näiteks mikroprotsessoreid ja arvuteid. Kuigi selline signaali teisendamine võib kaasa tuua andmekadu, kasutab enamik helisüsteeme sellist lähenemisviisi, sest digitaalse signaalitöötluse tehnikad on teatud ülesannete täitmisel palju võimsamad ja tõhusamad kui analoogsignaalitöötluse tehnikad.

Rakendusalad

Töötlemismeetodid ja rakendusalad hõlmavad heli salvestamist, helisignaali ulatuse kokkusurumist (ingl level compression), andmefailide mahu vähendamist signaalitehnilise tihendamise teel (näiteks MP3-kompressimine) ja andmete pakkimist, signaali edasikandmist (ingl transmission), signaali täiustamist (näiteks ekvaliseerimist, filtreerimist, müra eemaldamist, kaja või järelkõla (ingl reverb) lisamist või eemaldamist).

Võrdluseks, videosignaalile on iseloomulik suur korduvus kaadrist kaadrisse, mistõttu kasutatavad meetodid erinevad oluliselt audiosignaali puhul kasutatavatest.

Audiosignaalide ülekanne

Audiosignaalide ülekandmisel võivad audioprotsessori ülesanded olla järgmised:

• ära hoida või minimeerida ülemodulatsiooni (lubatud või tehniliselt võimaliku piirnivoo ületamist);
• korvata saatjate mittelineaarsust (potentsiaalne probleem kesk- ja lühilainel edastamisel AM-saatjate abil);
• kohandada üldist helivaljust soovitud tasemeni (näiteks mürarikastes keskkondades).

Audiosignaalide salvestamine

Audiosignaalide salvestamisel võivad audioprotsessori ülesanded olla järgmised:

• ära hoida või minimeerida ülemodulatsiooni (lubatud või tehniliselt võimaliku piirnivoo ületamist);
• soovitud helirežii teostamine.

Tehnikad

Heli, millele ei ole lisatud järelkaja ega viivitust, kutsutakse ülekantud tähenduses "kuivaks", ning töödeldud heli "märjaks".

Audiosignaali töötluse tehnikaid saab üldreeglina liigitada kahte gruppi – üldhelitehnilisteks ja heliefektide saavutamiseks kasutatavateks, kuigi see liigitus ei ole selgepiiriline.

Üldhelitehniline audiosignaali töötlemine:

• helitämbri muutmine – sagedusvahemikke saab rõhutada või nõrgestada, tavaliselt kasutades esimest järku RC-ahelaid reguleeritavates madalpääs- või kõrgpääslülitustes või nn tämbrireguleerimise lülitustes (ingl. tone control). Sellest keerulisemat tämbri reguleerimist nimetatakse ekvaliseerimiseks (ingl. equalising) ja seadet ekvalaiseriks.
• filtreerimine – madalpääs-, kõrgpääs-, riba- või tõkkefiltrite kasutamine, näiteks heliplaatide (peamiselt 78 rpm šellakplaatide) kahina nõrgestamiseks kasutatud kõrget järku madalpääsfiltrid (tavaliselt 4.–9. järku 8 kHz ribalaiusega), ribafiltrid (300...3400 Hz) telefoniefekti tekitamiseks, sest telefonitehnikas kasutati sellist sagedusriba piiramist laialdaselt ja kasutatakse ribafiltreid siiani. Üldiselt saab sagedusvahemikke rõhutada või eemaldada, kasutades madalpääs-, kõrgpääs-, riba- või tõkkefiltreid. Ekvaliseerimine on üks filtreerimise vorme.
• ekvaliseerimine – eri sagedusvahemikke üle kogu helisagedusala (näiteks alates 3 sagedusvahemikust kuni 10 sageduses oktaavselt paiknevat oktaavribafiltri kasutamiseni – näiteks eraldussagedustega 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1k, 2k, 4k, 8k, 16k Hz) võimendatakse või summutatakse, et saada soovitud sagedusspektri omadusi. Mõõduka ekvaliseerimisega saab peenhäälestada lindistuse tooni kvaliteeti. Ekstreemsema ekvalaiseri kasutusega, näiteks teatud sageduse täielikult väljalõikamisega, saab luua ebatavalisi heliefekte.
• kaja – simuleerimaks kaja efekti suures saalis või koopas, lisatakse algsignaalile üks või mitu viivitatud signaali. Selleks, et efekt kõlaks kaja moodi, peab viivitus olema rohkem kui 35 millisekundit. Kajaefekti saab luua nii digitaal- kui ka analoogmeetodiga. Analoogkajaefekti implementeeritakse, kasutades lintviivitusi (ingl tape delay) ja/või vedru peegeldeid (ingl spring reverberator). Kui suur hulk viivitatud signaale on miksitud mitme sekundi jooksul, siis vastav heli kõlab, nagu seda esitatakse suures ruumis, ning seda kutsutakse järelkajaks.

Heliefektide saavutamise eesmärgil teostatav audiosignaali töötlus

• fländžer (ingl flanger) – ebatavalise heli tekitamiseks lisatakse algsignaalile pidevalt muutuva viivitusega (tavaliselt väiksem kui 10 millisekundit) signaal. Tänapäeval luuakse see efekt digitaalse signaalitöötlusega, aga algselt mängitakse sama lindistust kahel sünkroonitud helilindimängijal ja pärast miksitakse signaalid kokku. Seni, kuni mängijad on sünkroonis, kõlab miksitud heli enam-vähem normaalselt. Kui operaator pani oma sõrme ühe mängija äärikule, siis masin aeglustus ja jäi teisest masinast faasist maha, luues faasinihke efekti. Sõrme ära võttes kiirenes mängija, kuni selle tahhomeeter oli teise masinaga tagasi samas faasis ja selle protsessi ajal tundus faasinihke efekt liikuvat sagedusspektris üles. Sellist üles-allafaseerimist saab teha kindlas rütmis.
• faseerija (ingl phaser) – teine viis loomaks ebatavalist kõla; signaal jaotatakse kaheks, millest üks osa viiakse läbi kõiki sagedusi läbilaskvast filtrist (ingl all-pass filter), et tekitada faasinihet ning seejärel miksitakse filtreeritud ja mittefiltreeritud signaalid kokku. Faseerija efekt oli algselt fländžeri lihtsam teostus, sest viivitusi oli analoogvahenditega keeruline teha. Faseerijaid kasutatakse tihti selleks, et anda tavalistele helidele, näiteks inimkõnele, "sünteesitud" või elektrooniline efekt. Tegelase C-3PO hääl "Star Warsi" filmist saadi, kasutades faseerija efekti näitleja häälel.
• kooriefekt (ingl chorus) – püsiva viivitusega signaal lisatakse algsele signaalile. Viivitus peab olema lühike, et see ei kõlaks nagu kaja, aga üle 5 ms, et see oleks kuuldav. Kui viivitus on liiga lühike, siis see segab väga algsignaali ja tekib fländžeri efekt. Tihti muudetakse viivitatud signaalide helikõrgust natuke, et realistlikumalt edasi anda mitme hääle efekti.
• ülevõimendus (ingl overdrive) efektide abil, mida saadakse näiteks kärinaseadet (ingl fuzz box) kasutades. Luuakse moonutatud helisid, näiteks robotite hääle või moonutatud raadioside kõne imiteerimiseks. Kõige tavalisem ülevõimenduse efekt sisaldab signaali "kärpimist", kui selle absoluutväärtus ületab kindla lävendi.
• helikõrguse nihutamine (ingl pitch shift) – see efekt nihutab signaali helikõrgust üles- või allapoole. Näiteks võib signaali nihutada ühe oktavi võrra alla või üles. Seda efekti lisatakse tavaliselt kogu signaalile, mitte igale noodile eraldi. Segades algsignaali nihutatud signaali(de)ga, saab luua harmooniaid ühest häälest. Teine helikõrguse nihutamise rakendus on helikõrguse parandus. Sellisel juhul kasutatakse digitaalse signaalitöötluse tehnikaid, et häälestada signaal õigele helikõrgusele. See on laialtlevinud efekt karaokemasinates ja tihti kasutatakse seda ka lauljate abistamiseks, kes muidu mööda laulavad.

Muude eesmärkide saavutamiseks tehtav audiosignaali töötlus:

• helindamise juures helindamissüsteemi võnkumamineku (vilistamamineku) vältimine akustilise tagasiside tõttu.