Suara (Sound) Pengertian Audio Digital Materi Konsep Multimedia

SUARA (SOUND)

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.

Konsep Multimedia - Ilkom Unibraw 2


Komputer hanya mampu mengenal sinyal dalam bentuk digital yang merupakan tegangan yang diterjemahkan dalam angka 0 dan 1 --> 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.



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


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)


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

Jika

tidak, sinyal tidak dapat dikembalikan ke bentuk semula


Proses Konversi Analog ke Digital :

Analog input Lowpass filter

at < R/2 Hz Sample at R Hz

Quantize to N

bits

Digital Output


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.


Proses Konversi Digital ke Analog :

Analog output Lowpass filter

at < R/2 Hz

Sample and

Hold

N bit DAC Digital Input

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.


Istilah Dalam Audio Digital

Jumlah kanal (Channel)

Laju Pencuplikan (Sampling Rate)

Banyaknya Bit dalam satu sample (bit per sample), dan

Laju Bit (Bit Rate)


Jumlah Kanal (Channel)

Mono, yaitu satu channel

Stereo, yaitu dua channel, kiri dan kanan

Surround, yaitu lima, tujuh bahkan lebih channel


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)


Frekuensi sampling dan kualitas suara yang dihasilkan :

Sampling Rate

(KHz)

Aplikasi

8 Telpon

11,025 Radio AM

22,025 Mendekati Radio FM

32,075 Lebih baik dari Radio FM

44.1 Audio Compact Disk (CD)

48 Digital Audio Tape (DAT)

Konsep Multimedia - Ilkom Unibraw

14

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.


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.


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


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.


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.


Format MP3

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.


Format MP3 terdiri dari 2 bagian :

Mengapa MP3 bisa memperkecil Ukuran File Lagu

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


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)


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)


Karakteristik MP3 :

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


Tahap-tahap 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.


Merupakan sistem kompresi Lossy

Tugas - tugas sistem coding audio perseptual :


PCM

Audio Input

Time To

Frequency

Mapping

Filter Bank

Bit/Noise

Allocation,

Quantizer and

coding

Bit Stream

Formatting

Encoding Bitstream

Psychoacoustic

MPEG / Audio Encoder

Ancillary Data

(Optional)


Encoding

Bitstream

Bit Stream

Unpacking

Frequency

Sample

Reconstruction

Frequency to

Time

Mapping

Decoded PCM

Audio

Ancillary Data

(if included)

MPEG / Audio Decoder


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)


Filter Bank


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.


Perceptual Model


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


Quantization / Coding


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


Encoding BitStream

Teknologi selain MP3 :

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.


MPEG-2 ACC

Teknologi selain MP3 :

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


Vorbis

Documents

Suara (Sound) Pengertian Audio Digital Materi Konsep Multimedia