resonans

Jitter og hakkende/forvrænget tale

Af

Videnskaben bag Jitter

Jitter er en slags tidsvariation i ankomsten af datapakker i et netværk. Det opstår, når datapakker, der sendes med jævne mellemrum, ankommer med forskelligt-artede forsinkelser. Dette kan skyldes fysiske og tekniske faktorer i netværket, såsom køer i routere, varierende trafikbelastning, begrænsninger i netværksinfrastrukturen, trådløs signal tab og mange flere.

Netværkskommunikation

Når data overføres via et digitalt netværk (f.eks. VoIP-opkald eller videostreaming), bliver lyden opdelt i små datapakker, som sendes sekventielt gennem netværket.

I en ideel situation ville alle pakker ankomme med en ensartet tidsforskel (f.eks. hver 5. millisekund). Men i virkeligheden påvirkes pakkerne af:

  • Netværksforsinkelse (latency): Tid det tager for en pakke at rejse fra afsender til modtager.
  • Pakketab: Nogle pakker går tabt undervejs og bliver enten genskabt eller ignoreret.
  • Køer i routere og switches: Hvis netværket er belastet, kan pakker blive midlertidigt opbevaret i buffere, hvilket skaber forsinkelser.

Jitter måles som variationen i forsinkelsen mellem ankomne pakker. Hvis variationen er for høj, vil modtageren opleve hakkende eller forvrænget lyd.

Matematiske modeller for jitter

Jitter kan modelleres med stokastiske processer, som beskriver tilfældige variationer over tid. Nogle af de mest anvendte modeller er:

a) Normalfordeling (Gaussian jitter)

  • Hvis jitter skyldes tilfældige små variationer i netværkstrafikken, kan forsinkelserne følge en normalfordeling (gaussisk fordeling), hvor de fleste pakker ankommer med en gennemsnitlig forsinkelse, men nogle få er forsinkede eller ankommer hurtigere end normalt.

b) Poissonfordeling (Burst jitter)

  • Hvis jitteren skyldes periodiske overbelastninger i netværket, kan den følge en Poisson-proces, hvor forsinkelser sker i „burst‟ – pludselige, korte udbrud eller perioder med høj jitter, efterfulgt af stabile perioder.

Matematisk kan jitter ofte beregnes som standardafvigelsen af forsinkelserne mellem datapakker:

hvor:

  • di er forsinkelsen for pakke i
  • d er den gennemsnitlige forsinkelse
  • N er antallet af målte pakker

Netværksprotokoller og Jitter-buffer

For at kompensere for jitter har mange systemer en jitter-buffer, som opbevarer pakker i kort tid, før de afspilles. Dette giver mulighed for at omorganisere pakker og sikre en mere stabil lydstrøm.

  • Dynamiske jitter-buffere: Justerer buffertiden baseret på målinger af jitter i realtid. Jo større jitter, jo større buffer opbygger systemet.
  • Statisk jitter-buffer: Har en fast forsinkelse, men kan være ineffektiv, hvis netværksforholdene ændrer sig.

Nogle netværksprotokoller, som RTP (Real-time Transport Protocol), anvender tidsstempler og sekvensnumre for at korrigere Jitter.

Andre konsekvenser af Jitter

  • I digitale lydsystemer kan Jitter føre til forvrængning af lydsignaler.
  • I videooverførsel kan Jitter føre til hakkende billeder eller synkroniseringsproblemer mellem lyd og video.

Opsummering af Jitter

Jitter er en kompleks effekt forårsaget af variation i datapakkernes forsinkelser under transmission. Den påvirker alt fra VoIP-opkald til finansielle systemer og elektroniske kredsløb. Ved at bruge jitter-buffere og QoS (Quality of Service) kan netværket minimere Jitter og sikre mere stabile forbindelser.

Forvrænget lyd

Den tekniske betegnelse for den robotagtige lyd i digitale telefonsamtaler og lydtransmission er ofte relateret til følgende begreber:

1. Vocoder-artifakter

  • En vocoder (Voice Coder) er en teknologi, der analyserer og syntetiserer tale. Hvis codec’et bruger stærk komprimering eller genskaber manglende datapakker, kan stemmen lyde kunstig og mekanisk/ metallisk.
  • Denne effekt kaldes ofte for vocoder-artifakter, fordi lyden minder om den kunstige tale, som f.eks. robotstemmer eller tidlige digitale stemmegeneratorer brugte.

2. Quantization noise (kvantiseringstøj)

  • Når lyddata konverteres fra analog til digital, afrundes værdierne til nærmeste digitale trin.
  • Hvis bitraten er lav, altså indeholder få data om lyden, kan afrundingsfejl føre til en trappetrins-effekt i lyden, som kan give en hakkende eller metallisk klang.Trappetrins-effekten (quantization error) opstår, når et analogt signal konverteres til digital form med en lav opløsning (lav bitrate eller lav bitdybde). Når en kontinuerlig lyd (analog bølge) skal repræsenteres digitalt, sker det ved, at lyden samles op (samplingsfrekvens) og afrundes til nærmeste mulige værdi (kvantisering). Hvis der ikke er nok bit til at repræsentere små ændringer i lyden, vil signalet fremstå som hakvist i stedet for glat – ligesom en trappe i stedet for en skråning.

3. Pakketabsskjul – Packet loss concealment (PLC-artifakter)

  • Når datapakker går tabt under transmission, forsøger systemet at udfylde hullerne ved at gætte, hvad den manglende lyd var.
  • Dette kan give en robotagtig eller hakkende lyd, fordi systemet ikke kan genskabe den originale lyd præcist.

4. Tidsforvrængning (Temporal warping)

  • Opstår, når jitter (varierende forsinkelse) får systemet til at strække eller komprimere lyd for at synkronisere talen.
  • Hvis stemmen afspilles hurtigere eller langsommere, kan den lyde unaturligt og mekanisk.

5. Spektral forvrængning (Spectral distortion)

  • Visse kodeker (f.eks. G.729) fjerner høje frekvenser og detaljer i stemmen for at spare båndbredde.
  • Dette kan resultere i en metallisk, nasal eller hul lyd, som kan minde om en robotstemmes begrænsede tonalitet.

6. Auto-tune-effekt

  • Selvom auto-tune normalt bruges til musik, kan en lignende effekt opstå, når et Codec forsøger at rekonstruere tale baseret på forudsigelser.
  • Hvis netværket er ustabilt, kan stemmens tonehøjde variere unaturligt, hvilket får den til at lyde kunstig.

Opsummering på forvrængning

Forvrængning opstår, når et lydsignal ændres uønsket under transmission, optagelse eller behandling. Det kan skyldes både digitale faktorer (komprimering, jitter, pakketab, kvantisering) og analoge faktorer (forstærkning, overstyring, dårlige komponenter).

I digitale systemer fører forvrængning ofte til robotagtig, hakkende eller metallisk lyd, især ved lav båndbredde og dårlig netværkskvalitet. I analoge systemer kan forvrængning skabe uønskede overtoner eller klipping, hvilket påvirker lydens naturlighed.

Den elektriske guitar

Af

Historien bag

Omkring år 1936 var der mand der hed Charlie Christian (1916-1942). Han spillede Jazz på guitar. Han havde en ide om at ville spille guitar soloer i sit band og derfor brugte han en akustisk guitar med en pickup. Det siges at dette er den første udgave af den moderne elguitar.

Men behovet for en elektrisk guitar startede faktisk længe før. Allerede i 1880’erne og senere i big bands i 1920’erne, i de store koncertsale, var det blevet tydeligt at der var et behov for at fremhæve guitaren. Den akustiske guitar forsvandt imellem de andre instrumenter og dermed blev det et andenrangs-instrument. Der måtte gøres noget. Det gjorde George Beauchamp. Han designede den første, meget rustikke, eletriske guitar i sit eget hjem. Han spillede Hawaiansk guitar.

Som nævnt før havde jazzmusikere og for den sags skyld også andre, forsøgt sig med at sætte forskellige ting på den akustiske guitar for at forstærke lyden. Resultaterne var desværre ikke gode. Udfordringen lå primært i at den akustiske lyd gav feedback til den mikrofon der opfangede lyd, som så blev forstærket af forstærkeren og det skabte resonans som fik instrumentet til lave en kakofoni (larm) af lyd.

Musik spilles fra elguitaren og sendes til forstærker. Musikken sendes fra forstærkeren ud i rummet og sendes tilbage til elguitaren og rammer strengene som resonerer og dermed skabes der elektrisk feedback som forstærkes indtil der afbrydes eller forstærkeren står af.

En af måderne man arbejdede sig uden om resonansen, den elektriske feedback gav, var at fjerne hulrummet fra guitarkroppen, hvilket gjorde det sværere for lydbølgerne at resonere. Sådan blev guitarer med fastkrop opfundet. De kaldes også for blokguitarer. De blev skåret ud af et helt stykke træ. Derefter blev den hawaiianske „Laps steel guitar‟ elektrificeret. De blev nangivet sådan, fordi at man sidder med dem i skødet og fordi de er lavet af messing. De spillede væsentligt højere end træ-varianterne.

Beauchamp, som vi hørte om før, mødte Adolph Rickenbacker ved en guitar-fabrik kaldet „The Dopyera Brothers‟ i Los Angeles. De blev enige om at samarbejde om et elektrisk guitar projekt. Adolph Rickenbacker var en foregangsmand inden for sit felt. En mand der elskede at eksperimentere og turde nye ting. Han startede blandt andet The Rickenbacker International Corporation, en virksomhed hvis eneste formål var at opfinde og bygge elektriske musikinstrumenter.

Efter en masse eksperimenter, opfandt Beauchamp og Rickenbacker, endelig en elektromagnetisk enhed, der kunne opfange vibrationerne fra guitarstrengene med stor renhed. Helt basalt forklaret, konverterer elektromagneterne vibrationerne til et elektrisk signal, som derefter forstærkes og så afspilles gennem en højtaler. Den første velfungerende pickup var født.

Feedback var et af de største problemer med de første elektriske guitarer med pickups, monteret, på deres kroppe. Feedback er når lyd, der bliver forstærket af en forstærker, får instrumentet til at resonere. Dette skaber en kakofoni af lyd. Den måde man fjernede den største del af resonansen var som man gjorde med de hawaiianske „Lap steel guitars‟, at fjerne hulrummet fra guitarkroppen.

Det første kommercielle elguitar produkt på markedet blev designet af Leo Fender, en af de mest berømte producenter af guitar forstærkere. Den blev udgivet i 1949 og hed Fender Esquire. Det bliver, i dag, betragtet som den første elguitar med fast krop.

Termer og betydning

  • 1 – Kroppen
  • 2 – Strengholder / Stolen
  • 3 – Pickup
  • 4 – Båndmærker
  • 5 – Remholder
  • 6 – Slagbræt
  • 7 – Vibratorarm
  • 8 – Strenge
  • 9 – Bånd
  • 10 – Hovedet
  • 11 – Strengholdere
  • 12 – Stemmeskruer
  • 4-10 – Halsen (Her sidder gribebrættet)
  • 13 – Sadlen

En Elguitar består altså (hovedsageligt) af kroppen, halsen og hovedet.

På kroppen sider slagbrættet, strengholder og stolen. På strengholderen er strengene monteret og de går hele vejen fra stolen til strengholderne på hovedet. stolens formål er at holde strengene på den korrekte afstand til gribebrættet. Ved stolen sidder vibratorarmen og lige efter stolen sidder pickuppen.

På halsen hvor strengene går, kaldes for gribebrættet. Gribebrættet er inddelt i zoner, adskilt af metalbånd. Disse zoner kaldes bånd og her opdeles guitarens toner. Prikkerne på båndene er båndmærker, som visuelt hjælper dig, så du kan bevæge din hånd til de noder du ønsker at spille. Mellem halsen og hovedet sidder sadlen, som sørger for at strengene ikke rører selve halsen.

På hovedet sidder strengholderne og stemmerskruerne. Strengholderne er der hvor strengene er spændt fast og stemmerskruerne bruger man når man stemmer guitaren. Der er ligeså mange stemmerskruer som der er strenge. Hvis man drejer på en stemmeskrue, bliver tonen på strengen enten højere eller dybere.

Hvordan fungerer den så?

Hvis vi først kigger på de fysiske love den, elektriske guitar, er underlagt, så er det loven om elektromagnetisme der er gældende, nærmere betegnet elektromagnetisk induktion. Helt enkelt handler elektromagnetisk induktion om at en forandring i et magnetfelt udleder elektricitet. Det modsatte er også gældende. Altså at en elektrisk ændring udleder eller skaber magnetfelter.

Hvis vi ignorer det meste af guitaren, men kigger i stedet på de dele af en elektrisk guitar der står for selve produktionen af lyde. Så ser vi at metalstrengene fungerer lidt som dynamoer, på den måde at de laver elektricitet når du bevæger dem. Under strengene er der elektricitetsopsamlende pickups. Hver af disse pickups består af en eller flere magneter med hundredevis eller tusindevis af spoler af meget tynd metaltråd snoet omkring dem. Magneterne danner et magnetisk felt omkring dem, der går op forbi strengene. Derved bliver strengene delvist magnetiseret. Når en streng så spilles og dermed vibrerer, så laver de en lille elektrisk strøm der bevæger sig igennem pickup’enes spoler. Pickup’ene er forbundet til en elektrisk kilde der opsamler og bearbejder parametrisk ( sideløbende i interval) information der kommer fra hver streng. Derefter sendes strømmen til en forstærker, som afspiller musikken. Ofte er en forstærker og højtaler bygget ind i samme enhed.

Hvad er Feedback / Resonans?

Feedback fra en elektrisk guitar sker når lyden fra en guitars forstærker for pickup’erne og/eller strengene til at vibrere synkront, nærmest i sympati. Den kombinerede vibration omdannes til et elektrisk signal som derefter bliver sendt tilbage til forstærkeren, hvilket forstærker den originale lyd. Dette forsætter indtil signalet ophører eller at signalblandingen rammer forstærkerens outputgrænse. Her er der som ofte en afbryder på forstærkeren og ellers så står den af.