Digital nivåreglering - hur få bitar utgör undre gräns?

[Strmbrg]

Jag, har köpt mej en tok-billig maskin...
(Fritt från L Berghagens låt om en akustisk gitarr.)

Det handlar om en 350-spänns multiformats-spelare, som jag nyttjar som CD-avläsare i kombination med en Benchmark Dac-1.



Fascinerande prismatchning, för de som tänker i sådana banor!

Nå,

Benchmarken kan användas antingen över dess inbyggda analoga nivåkontroll eller utan densamma. (Det finns en liten vippa baktill.)

Jag kör utan nivåkontrollen nu, eftersom CD-avläsaren har digital nivåkontroll.
Tyckte nämligen att det var trevligt att äntligen kunna styra ljudtrycket från fåtöljen.

Första läget innebär att det är helt tyst.

Nästa läge ger ganska högt ljud. Högre än "natt-lyssnar-nivå".
Därefter sker ökningen i hyfsat vettiga, om än något stora steg.

Naturligtvis beror den lägsta nivåns resulterande ljudtryck på nivåerna i Benchmarken.
(Detta kan kalibreras medelst två små skruvar baktill.)

Nu (äntligen) till frågan:
Hur få bitar kan tänkas användas vid den lägsta nivån?
Alltså nivån intill helt tyst.
Hur få bitar kan praktiskt användas om man fortfarande vill höra att det är Berghagens låt som spelas?

[Svante]

Nu (äntligen) till frågan:
Hur få bitar kan tänkas användas vid den lägsta nivån?
Hur få bitar kan praktiskt användas om man fortfarande vill höra att det är Berghagens låt som spelas?

1 bit.

Det går utmärkt att höra att det är Lasse Berghagen med 44100 Hz 1 bit om man bara har applicerat ditherbrus.

Däremot anar jag att du kanske är ute efter acceptabel ljudkvalitet, och då blir frågan svårare att besvara. Svaret beror nämligen på samplingsfrekvensen, musikens dynamik, hur man definierar "acceptabel", och vilken sorts ditherbrus man använder.

Viss musik vill jag påstå att det duger med 6-8 bitar 44100 Hz för att man ska kunna återge den såpass bra att nästan ingen märker det.

Edit: Och jo, en sak till påverkar, och det är hur starkt man spelar musiken i förhållande till omgivningens bakgrundsbuller. Spelar man svagt såsom oftast är fallet om man har en digital volymkontroll som är nedvriden, så spelar det alltså mindre roll att "man har få bitar".

[Strmbrg]

Nu (äntligen) till frågan:
Hur få bitar kan tänkas användas vid den lägsta nivån?
Hur få bitar kan praktiskt användas om man fortfarande vill höra att det är Berghagens låt som spelas?

1 bit.

Det går utmärkt att höra att det är Lasse Berghagen med 44100 Hz 1 bit om man bara har applicerat ditherbrus.

Däremot anar jag att du kanske är ute efter acceptabel ljudkvalitet, och då blir frågan svårare att besvara. Svaret beror nämligen på samplingsfrekvensen, musikens dynamik, hur man definierar "acceptabel", och vilken sorts ditherbrus man använder.

Viss musik vill jag påstå att det duger med 6-8 bitar 44100 Hz för att man ska kunna återge den såpass bra att nästan ingen märker det.

Intressant!

Jag brukar ibland utgå från min upplevelse och därefter fundera på vad den beror på och hur sambanden kan tänkas se ut.

I detta fall, så lirade jag plattan som syns på bilden.
Bortsett från att lägsta nivån var lite väl låg, så upplevde jag inte någon degraderad ljudkvalitet i det läget.
Den upplevda upplösningen ökade emellertid vid stegen strax ovanför det lägsta. Men det vet jag inte om det beror på ljudtrycket i sig eller på antalet aktiva bitar.

Har du lyssnat på detaljrik musik bitreducerat, och gjort några iakttagelser av vid vilket bitantal du upplever en störande försämring?

[MrQaffe]

Ladda hem audacity och en bitcrusher plugin, då kan du experimentera med bitdjupet och lyssna själv på musik du känner till och bilda dig en egen uppfattning om när du tycker det distar för mycket
http://audacity.sourceforge.net/downloa ... ws#recdown
http://kunz.corrupt.ch/?Products:VST_TAL-Bitcrusher
http://freemusicsoftware.org/category/f ... it-crusher

[Svante]

Så nu är den igång:

Jag har gjort en del demoexempel på detta, men jag sitter på landet nu och webservern hemma verkar lite smådöd. Jag har för mig att adressen var

http://user.faktiskt.io/svante/quant

[Svante]

Ladda hem audacity och en bitcrusher plugin, då kan du experimentera med bitdjupet och lyssna själv på musik du känner till och bilda dig en egen uppfattning om när du tycker det distar för mycket
http://audacity.sourceforge.net/downloa ... ws#recdown
http://kunz.corrupt.ch/?Products:VST_TAL-Bitcrusher
http://freemusicsoftware.org/category/f ... it-crusher

Jag känner inte till programvarorna, men man får för allt i världen INTE glömma att ditherbrus måste läggas till om man vill ha en uppfattning om hur bra det kan låta även med få bitar. Läggs inte ditherbrus till så kan det låta rejält illa om något som låter helt acceptabelt med samma bitdjup och ditherbrus.

Det handlar alltså inte bara om antalet bitar.

Men det kanske programmen hanterar på ett bra sätt, det vet inte jag.

[Strmbrg]

Det här var ju en intressant bild i sammanhanget.



An illustration of dithering. Red and blue are the only colors used, but as the pixels become smaller, the patch appears violet.

Om man dessutom kisar allt mer, så framstår allt fler av bilderna som lila.

[Almen]

Det här var ju en intressant bild i sammanhanget.
---
An illustration of dithering. Red and blue are the only colors used, but as the pixels become smaller, the patch appears violet.

Jag fattar inte kopplingen till dither.

[Svante]

Det här var ju en intressant bild i sammanhanget.
---
An illustration of dithering. Red and blue are the only colors used, but as the pixels become smaller, the patch appears violet.

Jag fattar inte kopplingen till dither.

Bilden illustrerar att man kan åstadkomma en färg mellan blå och röd, trots att man bara har just blå och röd att tillgå. Parallellen till ljudsignaler är att man med dither kan återge spänningar mellan kvantiseringstegens spänningar.

Bilden är dock inte en illustration av ditherbrus, utan snarare pulsbreddsmodulation, PWM. Hoppandet mellan rött och blått sker ju högst regelbundet och inte slumpmässigt som det ju gör med en brussignal.

[Almen]

Bilden illustrerar att man kan åstadkomma en färg mellan blå och röd, trots att man bara har just blå och röd att tillgå. Parallellen till ljudsignaler är att man med dither kan återge spänningar mellan kvantiseringstegens spänningar.

Bilden är dock inte en illustration av ditherbrus, utan snarare pulsbreddsmodulation, PWM. Hoppandet mellan rött och blått sker ju högst regelbundet och inte slumpmässigt som det ju gör med en brussignal.

Hmm... Kan man se ditherbruset som pulsbreddsmodulerade signaler som efter filtreringen bildar signalen mellan kvantiseringsnivåerna?

[Svante]

Bilden illustrerar att man kan åstadkomma en färg mellan blå och röd, trots att man bara har just blå och röd att tillgå. Parallellen till ljudsignaler är att man med dither kan återge spänningar mellan kvantiseringstegens spänningar.

Bilden är dock inte en illustration av ditherbrus, utan snarare pulsbreddsmodulation, PWM. Hoppandet mellan rött och blått sker ju högst regelbundet och inte slumpmässigt som det ju gör med en brussignal.

Hmm... Kan man se ditherbruset som pulsbreddsmodulerade signaler som efter filtreringen bildar signalen mellan kvantiseringsnivåerna?

Alltså, ditherbrus och pulsbreddsmodulering är besläktat, ja.

Men om jag läser din fråga ordagrant så går det faktiskt inte att förstå den. Ditherbrus är inte en pulsbreddsmodulerad signal. Möjligen kan man säga att en amplitudkvantisering av (ditherbrus + signal) ger en signal som kan ses som pulsbreddsmodulerad. I båda fallen kan man representera signaler som är svagare än kvantiseringssteget.

[Almen]

Kan man se ditherbruset som pulsbreddsmodulerade signaler som efter filtreringen bildar signalen mellan kvantiseringsnivåerna?

Alltså, ditherbrus och pulsbreddsmodulering är besläktat, ja.

Men om jag läser din fråga ordagrant så går det faktiskt inte att förstå den. Ditherbrus är inte en pulsbreddsmodulerad signal. Möjligen kan man säga att en amplitudkvantisering av (ditherbrus + signal) ger en signal som kan ses som pulsbreddsmodulerad. I båda fallen kan man representera signaler som är svagare än kvantiseringssteget.

Jo, men då tänkte jag nog rätt. Det slog mig nämligen nu precis då det kom fram en bild i bakhuvudet på en kvantiserad signal med ditherbrus där bruset bildade något som såg ut som pulsbreddsmodulerad information. Får kolla den gamla artikeln om jag hittar den.

Ännu en pusselbit...

[Tore]

Jo, men då tänkte jag nog rätt. Det slog mig nämligen nu precis då det kom fram en bild i bakhuvudet på en kvantiserad signal med ditherbrus där bruset bildade något som såg ut som pulsbreddsmodulerad information. Får kolla den gamla artikeln om jag hittar den.

Snarare pulstäthetsmodulerad i så fall.

[Tore]

Det här var ju en intressant bild i sammanhanget.



An illustration of dithering. Red and blue are the only colors used, but as the pixels become smaller, the patch appears violet.

Om man dessutom kisar allt mer, så framstår allt fler av bilderna som lila.

Man kanske kan utveckla exemplet ovan för att illustrera olika typer av dither. Första bilden här nedanför använder vitt brus som dither. I andra bilden används "blått brus", dvs brus som bara innehåller höga frekvenser. Eftersom ögat inte kan uppfatta de höga frekverna lika bra som de låga (om man tittar på lite avstånd) så ser den andra bilden mer jämnfärgad ut. På liknande sätt används inom audio ditherbrus som är spektralt format efter örats känslighet.

[Svante]

Lyssna på denna:

http://user.faktiskt.io/svante/c3po.mp3

Det är en låt vars ursprungliga medelnivå låg 20 dB under full utstyrning. Jag sänkte därefter nivån med 90 dB, lade på ditherbrus och trunkerade till 16 bitar och sparade som wavfil. Medelnivån ligger nu alltså 110 dB under full utstyrning.

Därefter öppnade jag filen och förstärkte upp nivån till full utstyrning igen och gjorde en mp3a av den.

Hör ni vilken låt det är?

Utan ditherbrus hade det inte gått.

[PerStromgren]

Hör ni vilken låt det är?

Utan ditherbrus hade det inte gått.

Visst hör man vilken låt det är!! Det är rätt otroligt, egentligen, att det går att höra musiken nere i den brusmattan!

[Tore]

Hör ni vilken låt det är?

Utan ditherbrus hade det inte gått.

Nja, i ärlighetens namn hörs låten mycket tydligare utan dither, med ren trunkering, bara att det då distar något kopiöst:

http://www.mediafire.com/?yqnzi2ornw2 (lyssna försiktigt!)

Här är en variant med noise shaping. Fortfarande sänkt 90 dB men ditherbruset blir klart mindre störande:

http://www.mediafire.com/?m5hnuzy1ihy

[Svante]

Hör ni vilken låt det är?

Utan ditherbrus hade det inte gått.

Nja, i ärlighetens namn hörs låten mycket tydligare utan dither, med ren trunkering, bara att det då distar något kopiöst:

http://www.mediafire.com/?yqnzi2ornw2 (lyssna försiktigt!)

Jag vågar påstå att det där inte är en ren trunkering av en signal som är dämpad 90 dB. Tvärtom tror jag att det är en signal som är förstärkt så att signalen har toköverstyrt. Skulle man dämpa signalen 90 dB och runda av, så skulle alla sampel bli noll. Det skulle bli tyst.

Om du (och ditt program) verkligen har gjort stegen du beskriver, har du utgått från Robots i utgåvan som ligger med RMS 20 dB under full utstyrning?

[Svante]

Här är en variant med noise shaping. Fortfarande sänkt 90 dB men ditherbruset blir klart mindre störande:

http://www.mediafire.com/?m5hnuzy1ihy

...och den använder ungefär 64 kvantiseringssteg, dvs 6 bitars upplösning ungefär. Mitt exempel använde fem steg.

Något är sjukt med nivåerna.

Ditt ditherbrus har en amplitud som är ungefär 10 ggr så stor som det borde vara.

[Tore]

Jag vågar påstå att det där inte är en ren trunkering av en signal som är dämpad 90 dB. Tvärtom tror jag att det är en signal som är förstärkt så att signalen har toköverstyrt. Skulle man dämpa signalen 90 dB och runda av, så skulle alla sampel bli noll. Det skulle bli tyst.

Avrundning nedåt, inte till närmaste heltal. Det blir förstås olika effekter beroende på hur man avrundar (alternativt vilken dc-offset man har). Som jag har gjort blir resultatet mycket riktigt detsamma som vid extrem överstyrning.

Om du (och ditt program) verkligen har gjort stegen du beskriver, har du utgått från Robots i utgåvan som ligger med RMS 20 dB under full utstyrning?

Ja, RMS = -20.14 dB. Gjorde även en variant med triangulär dither och den lät mycket lik din.

...och den använder ungefär 64 kvantiseringssteg, dvs 6 bitars upplösning ungefär. Mitt exempel använde fem steg.

Något är sjukt med nivåerna.

Ditt ditherbrus har en amplitud som är ungefär 10 ggr så stor som det borde vara.

Nej, det är normala nivåer vid noise shaping. Den mesta energin ligger dock högt i frekvens. Testa att köra genom ett lågpassfilter och du ser att nivån sjunker drastiskt. Eller plotta spektrum och se hur energin fördelas.

[Strmbrg]

Lyssna på denna:

http://user.faktiskt.io/svante/c3po.mp3

Det är en låt vars ursprungliga medelnivå låg 20 dB under full utstyrning. Jag sänkte därefter nivån med 90 dB, lade på ditherbrus och trunkerade till 16 bitar och sparade som wavfil. Medelnivån ligger nu alltså 110 dB under full utstyrning.

Därefter öppnade jag filen och förstärkte upp nivån till full utstyrning igen och gjorde en mp3a av den.

Hör ni vilken låt det är?

Utan ditherbrus hade det inte gått.

Lyssnade i lurar direkt ur datorn:
Nä, jag kan inte identifiera låten.

Jag hör bara taktslagen, och emellanåt lite "blipp-blopp" från en synt.

Kanske är det lapens ljudkort som begränsar?

Är det Lasse Bandhagen?

[Svante]

Jag vågar påstå att det där inte är en ren trunkering av en signal som är dämpad 90 dB. Tvärtom tror jag att det är en signal som är förstärkt så att signalen har toköverstyrt. Skulle man dämpa signalen 90 dB och runda av, så skulle alla sampel bli noll. Det skulle bli tyst.

Avrundning nedåt, inte till närmaste heltal. Det blir förstås olika effekter beroende på hur man avrundar (alternativt vilken dc-offset man har). Som jag har gjort blir resultatet mycket riktigt detsamma som vid extrem överstyrning.

Ahaja, men det är ju fusk...

Om du (och ditt program) verkligen har gjort stegen du beskriver, har du utgått från Robots i utgåvan som ligger med RMS 20 dB under full utstyrning?

Ja, RMS = -20.14 dB. Gjorde även en variant med triangulär dither och den lät mycket lik din.

...och den använder ungefär 64 kvantiseringssteg, dvs 6 bitars upplösning ungefär. Mitt exempel använde fem steg.

Något är sjukt med nivåerna.

Ditt ditherbrus har en amplitud som är ungefär 10 ggr så stor som det borde vara.

Nej, det är normala nivåer vid noise shaping. Den mesta energin ligger dock högt i frekvens. Testa att köra genom ett lågpassfilter och du ser att nivån sjunker drastiskt. Eller plotta spektrum och se hur energin fördelas.

Jo, jag förstår och hör att spektrum är annorlunda. Men vad jag menar är att om inspelningarna ska jämföras med varandra så får man sänka nivån på min med en faktor 32. Gör man det så låter Robots lika starkt ungefär, och mitt brus bara lite starkare.

Men är det verkligen så här man brukar göra spektralt format ditherbrus? Toppamplituden på bruset är ju 30 ggr så stark och RMS-amplituden 25-30 dB starkare. Visserligen hörs det mindre, men det borde gå att göra ännu bättre. Vad händer om du minskar amplituden på ditherbruset? Blir det dist då? Blir det dist nu?

Vad är det för program du har använt?

[PerStromgren]

Lyssnade i lurar direkt ur datorn:
Nä, jag kan inte identifiera låten.

Jag hör bara taktslagen, och emellanåt lite "blipp-blopp" från en synt.

Kanske är det lapens ljudkort som begränsar?

Är det Lasse Bandhagen?

Nej, det är inte Lasse Berghagen.

Jämför med detta: http://www.youtube.com/watch?v=VXa9tXcMhXQ

En jättehit på dansgolven när jag själv var i diskoåldern.

[Tore]

Jo, jag förstår och hör att spektrum är annorlunda. Men vad jag menar är att om inspelningarna ska jämföras med varandra så får man sänka nivån på min med en faktor 32. Gör man det så låter Robots lika starkt ungefär, och mitt brus bara lite starkare.

Även efter en nivåjustering tycker jag att skillnaden är högst påtaglig. Musiken hörs betydligt bättre genom det formade bruset.

Men är det verkligen så här man brukar göra spektralt format ditherbrus? Toppamplituden på bruset är ju 30 ggr så stark och RMS-amplituden 25-30 dB starkare. Visserligen hörs det mindre, men det borde gå att göra ännu bättre. Vad händer om du minskar amplituden på ditherbruset? Blir det dist då? Blir det dist nu?

Mycket möjligt att det går att göra bättre men jag bedömer att mitt program presterar likvärdigt med andra program jag har testat. Det brus som tillförs i själva kvantiseringssteget är vanligt triangelfördelat brus med samma amplitud som vid enkel dither. Att sänka amplituden på det bruset är inget alternativ. Vad man kan göra är att ändra filterkoefficienterna så att bruset förändras spektralt. Det finns ett antal etablerade filter man kan använda av vilka jag har implementerat en handfull. Här är ett annat exempel med en annan karaktär på bruset: http://www.mediafire.com/?oazd4jgnnmi

[Almen]

Jo, men då tänkte jag nog rätt. Det slog mig nämligen nu precis då det kom fram en bild i bakhuvudet på en kvantiserad signal med ditherbrus där bruset bildade något som såg ut som pulsbreddsmodulerad information. Får kolla den gamla artikeln om jag hittar den.

Snarare pulstäthetsmodulerad i så fall.

Så det är alltså ett antal identiska pulser som representerar "informationen i ditherbruset", tätare för högre amplitud?

[Tore]

Så det är alltså ett antal identiska pulser som representerar "informationen i ditherbruset", tätare för högre amplitud?

Typ. Om du reducerar antalet bitar till en så hamnar du där. Enbitsomvandlare och DSD-signaler bygger på detta. Man har bara två signalnivåer och varje puls är lika lång (ett samplingsintervall) men med hjälp av dither kan man koda mellanliggande värden i form av pulstäthet.

[Almen]

OK, jag funderar vidare. Jobbar du med slikt, eller?

[Svante]

Mycket möjligt att det går att göra bättre men jag bedömer att mitt program presterar likvärdigt med andra program jag har testat. Det brus som tillförs i själva kvantiseringssteget är vanligt triangelfördelat brus med samma amplitud som vid enkel dither. Att sänka amplituden på det bruset är inget alternativ. Vad man kan göra är att ändra filterkoefficienterna så att bruset förändras spektralt. Det finns ett antal etablerade filter man kan använda av vilka jag har implementerat en handfull. Här är ett annat exempel med en annan karaktär på bruset: http://www.mediafire.com/?oazd4jgnnmi

Ah, så du programmerar själv. Kul!

När du säger "med samma amplitud som vid enkel dither" så får jag inte ihop det. När jag tittade på din fil använde signalen ungefär 64 kvantiseringssteg. Det betyder att toppvärdet är ~10 ggr högre än för mitt triangelfördelade brus (som använde 5 kvantiseringssteg. Även RMS-värdet verkade betydligt högre med din algoritm. Så vilken amplitud är det som är samma?

Däremot håller jag med om att det lät svagare och att det förmodligen beror på den spektrala fördelningen.

Det vore roligt om du kunde beskriva hur brusformningen går till. Tar du vitt brus och formar det spektralt med ett filter och lägger sedan till det till signalen före kvantiseringen? Eller använder du något annat sätt att få till brusformningen med?

Bara för att jag ska förstå vad ditt program gör, kan du lägga upp en 16 bits wavfil där nivån är sänkt med 90 dB och där du har lagt till ditt dither. Utan att dra upp volymen efteråt. Det kommer att bli jekligt svagt, men det gör inget.

[Tore]

När du säger "med samma amplitud som vid enkel dither" så får jag inte ihop det. När jag tittade på din fil använde signalen ungefär 64 kvantiseringssteg. Det betyder att toppvärdet är ~10 ggr högre än för mitt triangelfördelade brus (som använde 5 kvantiseringssteg. Även RMS-värdet verkade betydligt högre med din algoritm. Så vilken amplitud är det som är samma?

Amplituden på ditherbruset, alltså det vita brus som adderas till signalen innan kvantiseringen. Se nedan...

Det vore roligt om du kunde beskriva hur brusformningen går till. Tar du vitt brus och formar det spektralt med ett filter och lägger sedan till det till signalen före kvantiseringen? Eller använder du något annat sätt att få till brusformningen med?

Skall försöka förklara. Till att börja med är det ju det totala brus som tillförs signalen (genom dither, kvantisering och annat) som vi vill skall vara spektralt format. Att bara lägga format ditherbrus på signalen och sedan kvantisera fungerar inte så bra eftersom kvantiseringen kommer fucka upp brusets spektrum (kvantiseringen genererar övertoner som viks och hamnar lite varstans). Istället lägger man på vanligt vitt ditherbrus och kvantiserar. Det fel (dither + kvantiseringsfel) som då tillförs signalen återkopplas via ett filter tillbaks till insignalen. På så sätt ändras det spektrala innehållet i felsignalen och genom att välja ett lämpligt filter kan man ge det önskad form.

Bara för att jag ska förstå vad ditt program gör, kan du lägga upp en 16 bits wavfil där nivån är sänkt med 90 dB och där du har lagt till ditt dither. Utan att dra upp volymen efteråt. Det kommer att bli jekligt svagt, men det gör inget.

http://www.mediafire.com/?j5jmrnzfglz

[Piotr]

Används båda varianterna?

Dvs. både noise-shaping med återkoppling som du nämner och den enklare varianten med filtrering av ditherbruset innan det adderas till signalen?


/Peter