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.
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.
"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.
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:
Audiosignaalide salvestamine.
Audiosignaalide salvestamisel võivad audioprotsessori ülesanded olla järgmised:
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.