SUARA (SOUND)

1
SUARA (SOUND)

• Pengertian Audio Digital

2
Pengertian Audio Digital

• Suara yang kita dengar sehari-hari adalah
  gelombang analog.
• Gelombang ini berasal dari tekanan udara yang ada
  disekeliling kita dengan bantuan gendang telinga.
• Gendang telinga ini bergetar dan getaran ini
  dikirim dan diterjemahkan menjadi informasi suara
  dan dikirim ke otak, sehingga bisa didengar oleh
  kita.

3
Pengertian Audio Digital

• Komputer hanya mampu mengenal sinyal dalam bentuk
  digital yang merupakan tegangan yang
  diterjemahkan dalam angka 0 dan 1 --gt bit.
• Tegangan ini berkisar mendekati angka 5 volt bagi
  angka 1 dan mendekati 0 volt bagi angka 0.
• Komputer mampu melihat angka-angka 0 dan 1
  menjadi kumpulan bit-bit dan menerjemahkan
  menjadi sebuah informasi.

4
Peralatan yang harus ada

• Transducer ? Merupakan peralatan yang dapat
  mengubah tekanan udara (yang terdengar oleh
  telinga) ke dalam tegangan elektrik yang dapat
  dimengerti oleh perangkat elektronik dan
  sebaliknya.
• Macam-macam transducer
• Mikrofon
• Speaker

5
Peralatan yang harus ada

• SoundCard ? Peralatan untuk mengubah gelombang
  suara (Sinyal Audio) menjadi data digital dan
  ketika suara itu dimainkan kembali, soundcard
  mengubah data digital menjadi sinyal audio yang
  dikeluarkan oleh speaker.
• Istilah-istilah
• Proses pengubahan gelombang suara menjadi data
  digital ini dinamakan Analog-to-Digital-
  Conversion (ADC)
• Proses pengubahan data digital menjadi gelombang
  suara dinamakan Digital- to- Analog-Conversion
  (DAC)

6
Proses Konversi Analog ke Digital

• Membatasi frekuensi sinyal yang akan diproses
  dengan Low Pass Filter
• Mencuplik (Sampling) sinyal analog menjadi
  beberapa potongan waktu.
• Sample tersebut diberi nilai eksak dan nilainya
  diberikan dalam bentuk digital.

Catatan Proses pengubahan sinyal analog ke
digital harus memenuhi sebuah kreteria, yaitu
kriteria Nyquist Untuk sampling sebuah sinyal
yang memiliki freakuensi X Hertz, maka harus
sampling minimal dua kali lebih rapat 2X Hertz
Jika tidak, sinyal tidak dapat dikembalikan ke
bentuk semula
7
Proses Konversi Analog ke Digital
Lowpass filter at lt R/2 Hz
Analog input
Sample at R Hz
Digital Output
Quantize to N bits
8
Proses Konversi Digital ke Analog

• Menghitung data digital menjadi
  amplitudo-amplitudo analog
• Menyambung amplitudo analog menjadi sinyal analog
• Memfilter keluaran dengan Low Pass Filter
  sehingga bentuk gelombang keluaran menjadi lebih
  mulus.

9
Proses Konversi Digital ke Analog
Lowpass filter at lt R/2 Hz
Analog output
Sample and Hold
N bit DAC
Digital Input
10
Kelebihan Audio Digital

• Kualitas reproduksi yang sempurna, yaitu
  penggandaan sinyal audio secara berulang-ulang
  tanpa penurunan kualitas suara.
• Hal ini karena sinyal audio direpresentasikan
  dalam bentuk data digital 0 dan 1 dan informasi
  ini dipertahankan (Jika terjadi perubahan , maka
  data akan mengalami kesalahan).
• Lain halnya dengan audio analog yang dapat
  mengalami perubahan suara disebabkan perbedaan
  kualitas pita, dan head serta derau yang masuk
  sewaktu proses.

11
Istilah Dalam Audio Digital

• Jumlah kanal (Channel)
• Laju Pencuplikan (Sampling Rate)
• Banyaknya Bit dalam satu sample (bit per sample),
  dan
• Laju Bit (Bit Rate)

12
Jumlah Kanal (Channel)

• Mono, yaitu satu channel
• Stereo, yaitu dua channel, kiri dan kanan
• Surround, yaitu lima, tujuh bahkan lebih channel

13
Laju Pencuplikan (Sampling Rate)

• Ketika soundcard mengubah audio menjadi data
  digital, soundcard akan memecah suara tadi
  menjadi potongan-potongan sinyal dengan nilai
  tertentu.
• Proses sinyal ini bisa terjadi ribuan kali dalam
  satu satuan waktu.
• Banyaknya potongan dalam satuan waktu ini
  dinamakan laju pencuplikan (sampling rate)

14
Frekuensi sampling dan kualitas suara yang
dihasilkan
15
Contoh kasus

• Untuk CD Audio, memiliki sampling rate 44, 1 KHz
  berarti dicuplik sebanyak 44100 kali tiap detik
  untuk memastikan kualitas suara hampir sama
  dengan aslinya.
• Frekuensi percakapan manusia 300 Hz sampai 3400
  Hz, sehingga rentangnya 3100Hz. Dengan
  menggunakan syarat Nyquist dimana sampling
  minimal 2 kali rentang frekuensi tadi, yaitu 2 x
  3100 Hz 6200 Hz, maka 8 KHz sudah mencukupi.
• Rentang suara yang dapat didengar manusia 20 Hz
  sampai 20 KHz, sehingga rentang 19980 Hz, maka
  sampling minimal 39960 Hz. Berati 44,1 KHz sudah
  mencukupi.

16
Banyaknyak bit tiap cuplikan

• Sample yang diambil memiliki besaran amplitudo.
• Besaran amplitudo ini disimpan dalam bit-bit
  digital.
• Banyaknya bit yang dapat dipakai untuk
  merepresentasikan besaran amplitudo ini dinamakan
  bit per sample
• Semakin banyak bit yang dipakai untuk
  merepresentasikan besaran amplitudo, makin halus
  amplitudo yang dihasilkan.
• Contoh
• Suara 8-bit memiliki 28 kemungkinan amplitudo ,
  yaitu 256 dan suara 16 bit memiliki 65535
  kemungkinan amplitudo.

17
Laju Bit

• Satuan bit per detik adalah perkalian jumlah bit
  per sample dengan jumlah kanal dan frekuensi
  sampling (satuan hertz)
• Contoh
• Untuk mengetahui bit rate yang dibutuhkan untuk
  menyimpan sebuah lagu stereo dengan kualitas CD
  (frekuensi 44100 Hz, 16 bit) adalah
• 16 bits/sample x 2 channels x 44100
  samples/s.channels
• 1.411.200 bits/s 1.411.200 bits/s per 8
  bits/byte
• 176.4 kbytes/s 172.3 Kbytes/s

18
Kasus memori yang dibutuhkan

• Berapa besar memori untuk sebuah lagu berdurasi 5
  menit ?.
• Dengan laju bit 1.411.200 / 8 176400 byte/detik
  berarti 5 x 60 x 176400 52920000 byte atau
  52,92 MB untuk sebuah lagu.
• Jika lagunya banyak ?
• Maka perlu kompresi antara lain MP3.

19
MP3

• Asalnya dimulai dari penelitian IIS-FHG
  (Institute Integrierte Schaltungen - Fraunhofer
  Gesellschaft), sebuah lembaga penelitian terapan
  di Munich, Jerman.
• Dalam kerangka proyek EUREKA EU 147 untuk
  penelitian coding audio perceptual.
• Penelitian ini dibantu oleh Universitas Erlangen,
  kemudian menghasilkan algoritma yang dijadikan
  standar sebagai ISO-MPEG Audio Layer-3 atau MP3.

20
Format MP3
Format MP3 terdiri dari 2 bagian

• Header, yaitu berfungsi sebagai pengenal memiliki
  ukuran 4 byte.
• Data audio itu sendiri.
• Header berisi bit ID, bit Layer, bit Frekuensi
  Sampling dan bit Mode.

21
Mengapa MP3 bisa memperkecil Ukuran File Lagu

• Hal ini karena beberapa karakteristik dari MP3
  memanfaatkan kelemahan pendengaran manusia.

22
Karakteristik MP3

• Model Psikoakustik, karakteristik pendengaran
  manusia adalah kurva batas frekuensi 2 KHz sampai
  5 KHz, sehingga suara yang memiliki frekuensi
  yang di bawah ambang batas atau diatasnya tidak
  perlu dikodekan. (1)
• Auditory Masking Effect, yaitu ketidakmampuan
  manusia untuk mendengarkan suara pada frekuensi
  tertentu dengan amplitudo tertentu, dimana pada
  frekuensi didekatnya terdapat suara dengan
  amplitudo yang tinggi. Contoh kita dapat
  mendengar nafas seseorang dalam ruangan sunyi,
  namun jika dimainkan sebuah lagu dengan piano
  maka nafas jadi tak terdengar. (2)

23
Karakteristik MP3

• Critical Band atau pita frekuensi kritis, yaitu
  daerah frekuensi tertentu yang harus diperhatikan
  lebih teliti lagi, karena pendengaran manusia
  lebih peka pada frekuensi-frekuensi ini. Dengan
  demikian frekuensi sensitif seperti frekuensi
  rendah mendapatan alokasi bit dan alokasi
  sub-band pada filter lebih banyak daripada
  frekuensi yang tidak sensistif (frekuensi
  tinggi). (3)
• Joint Stereo. Kadang dua kanal stereo mengirimkan
  informasi yang sama, sehingga informasi yang sama
  ini ditempatkan dalam salah satu kanal dan
  ditambah informasi tertentu. (4)

24
Karakteristik MP3

• Huffman Coding, dengan coding ini bit-bit yang
  dipakai pada suara dengan karakteristik sederhana
  (dengan sedikit sumber bunyi) dapat dihemat 20 .
  (5)

25
Tahap-tahap sistem coding audio perseptual

• Merupakan sistem kompresi Lossy
• Tugas - tugas sistem coding audio perseptual

• Ukuran file terkompresi sekecil mungkin
• Kualitas suara file yang telah terkompresi
  haruslah sedekat mungkin dengan file aslinya
  sebelum dikompresi.
• Tingkat kesulitannya rendah, sehingga mudah
  direalisasikan dengan aplikasi secara mudah,
  perangkat keras yang murah dengan konsumsi daya
  yang rendah.

26
MPEG / Audio Encoder
Time To Frequency Mapping Filter Bank
Bit/Noise Allocation, Quantizer and coding
Bit Stream Formatting
PCM Audio Input
Ancillary Data (Optional)
Psychoacoustic
Encoding Bitstream
27
MPEG / Audio Decoder
Bit Stream Unpacking
Frequency Sample Reconstruction
Frequency to Time Mapping
Encoding Bitstream
Ancillary Data (if included)
Decoded PCM Audio
28
Tahap-tahap sistem coding audio perseptual
Filter Bank

• Kumpulan filter yang berfungsi memfilter masukan
  pada frekuensi tertentu, sesuai dengan critical
  bank.
• Filter yang dipakai adalah gabungan dua filter
  bank, yaitu
• Filter Bank PolyPhase
• Modified Discrite Cosine transform (MDCT)

29
Tahap-tahap sistem coding audio perseptual
Perceptual Model

• Untuk memodelkan karakteristik pendengaran
  manusia
• Menggunakan filter bank terpisah atau
  penggabungan antara perhitungan energi dan filter
  bank utama.
• Keluaran model ini adalah nilai batasan masking,
  jika noise berada dibawah masking theshol, maka
  kompresi tidak dapat dibedakan dari sinyal
  aslinya.

30
Tahap-tahap sistem coding audio perseptual
Quantization / Coding

• Setelah sinyal disampling, maka harus
  diquantization dan coding.
• Dilakukan oleh power-law quantizer, yang memiliki
  sifat mengkodekan amplitudo besar dengan
  ketepatan rendah dan dimasukkannya proses noise
  shaping
• Selanjutnya nilai yang dikuantisasi dikodekan
  dengan menggunakan Huffman Coding

31
Tahap-tahap sistem coding audio perseptual
Encoding BitStream

• Setelah sinyal disampling dan dikodekan, bit-bit
  tersebut disusun menjadi sebuah bitstream, yaitu
  file yang dimainkan oleh MP3 player.

32
Teknologi selain MP3
MPEG-2 ACC

• MPEG-2 ACC atau biasa disebut MP4.
• Merupakan hasil riset lanjutan MP3.
• Kelebihannya kemampuan mendapatkan ukuran file
  yang lebih kecil dengan kualita suara yang hampir
  sama.
• Salah satu rahasianya adalah penggunaan MDCT
  (Modified Discrete Cosine Transform) secara penuh.

33
Teknologi selain MP3
Vorbis

• Format file audio digital terkompresi dengan
  sifat open source, bebas paten dan royalti.
• Kualitas Vorbis hampir sama dengan MP3 (44.1 -
  48.0 KHz, 16 bit, Polyphonic)
• Informasi mengenai Vorbis dapat diperoleh di
  www.vorbis.org