Digital Audio Signal Processing Digital Audio Signal Processing Second Edition Udo Zölzer Helmut Schmidt University, Hamburg, Germany A John Wiley & Sons, Ltd, Publication Thiseditionfirstpublished2008 ©2008JohnWiley&SonsLtd FirsteditionpublishedunderthetitleDigitaleAudiosignalverarbeitung©B.G.Teubner Verlag,Stuttgart,1995.DigitalAudioSignalProcessingwasthenpublishedin1997by JohnWiley&SonsLtd. Registeredoffice JohnWiley&SonsLtd,TheAtrium,SouthernGate,Chichester,WestSussex,PO198SQ, UnitedKingdom Fordetailsofourglobaleditorialoffices,forcustomerservicesandforinformationabout howtoapplyforpermissiontoreusethecopyrightmaterialinthisbookpleaseseeour websiteatwww.wiley.com. Therightoftheauthortobeidentifiedastheauthorofthisworkhasbeenassertedin accordancewiththeCopyright,DesignsandPatentsAct1988. Allrightsreserved.Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedinaretrieval system,ortransmitted,inanyformorbyanymeans,electronic,mechanical, photocopying,recordingorotherwise,exceptaspermittedbytheUKCopyright,Designs andPatentsAct1988,withoutthepriorpermissionofthepublisher. Wileyalsopublishesitsbooksinavarietyofelectronicformats.Somecontentthat appearsinprintmaynotbeavailableinelectronicbooks. Designationsusedbycompaniestodistinguishtheirproductsareoftenclaimedas trademarks.Allbrandnamesandproductnamesusedinthisbookaretradenames,service marks,trademarksorregisteredtrademarksoftheirrespectiveowners.Thepublisheris notassociatedwithanyproductorvendormentionedinthisbook.Thispublicationis designedtoprovideaccurateandauthoritativeinformationinregardtothesubjectmatter covered.Itissoldontheunderstandingthatthepublisherisnotengagedinrendering professionalservices.Ifprofessionaladviceorotherexpertassistanceisrequired,the servicesofacompetentprofessionalshouldbesought. LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData Zölzer,Udo. DigitalAudioSignalProcessing/UdoZölzer.2nded. p.cm. Includesbibliographicalreferenceandindex. ISBN978-0-470-99785-7(cloth) 1.Sound–Recordingandreproducing–Digitaltechniques.2.Signalprocessing–Digital techniques.I.Title. TK7881.4.Z652008 621.382’2–dc22 2008006095 AcataloguerecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary. ISBN978-0-470-99785-7(HB) Setin10/12ptTimesbySunriseSettingLtd,Torquay,England. PrintedinGreatBritainbyAntonyRoweLtd,Chippenham,England. Contents PrefacetotheSecondEdition ix PrefacetotheFirstEdition xi 1 Introduction 1 1.1 StudioTechnology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 DigitalTransmissionSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 StorageMedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 AudioComponentsatHome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Quantization 21 2.1 SignalQuantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.1 ClassicalQuantizationModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.1.2 QuantizationTheorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3 StatisticsofQuantizationError. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2 Dither . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.2 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.3 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3 SpectrumShapingofQuantization–NoiseShaping . . . . . . . . . . . . . 42 2.4 NumberRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.1 Fixed-pointNumberRepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.4.2 Floating-pointNumberRepresentation. . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4.3 EffectsonFormatConversionandAlgorithms. . . . . . . . . . . . 56 2.5 JavaApplet–Quantization,Dither,andNoiseShaping . . . . . . . . . . . 58 2.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3 AD/DAConversion 63 3.1 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.1 NyquistSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.2 Oversampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.1.3 Delta-sigmaModulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 vi Contents 3.2 ADConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.2.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.2.2 ParallelConverter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.3 SuccessiveApproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.4 CounterMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.2.5 Delta-sigmaADConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.3 DAConverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3.1 Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3.2 SwitchedVoltageandCurrentSources . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.3 WeightedResistorsandCapacitors. . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.4 R-2RResistorNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.3.5 Delta-sigmaDAConverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4 JavaApplet–OversamplingandQuantization . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 AudioProcessingSystems 97 4.1 DigitalSignalProcessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.1.1 Fixed-pointDSPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.1.2 Floating-pointDSPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.2 DigitalAudioInterfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.1 Two-channelAES/EBUInterface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2.2 MADIInterface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3 Single-processorSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.1 Peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.3.2 Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.4 Multi-processorSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.4.1 ConnectionviaSerialLinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 4.4.2 ConnectionviaParallelLinks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.4.3 ConnectionviaStandardBusSystems . . . . . . . . . . . . . . . . 112 4.4.4 ScalableAudioSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5 Equalizers 115 5.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.2 RecursiveAudioFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2.1 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.2.2 ParametricFilterStructures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2.3 QuantizationEffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 NonrecursiveAudioFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 5.3.1 BasicsofFastConvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 5.3.2 FastConvolutionofLongSequences . . . . . . . . . . . . . . . . 161 5.3.3 FilterDesignbyFrequencySampling . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.4 Multi-complementaryFilterBank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.1 Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.4.2 Example:Eight-bandMulti-complementaryFilterBank . . . . . . 175 Contents vii 5.5 JavaApplet–AudioFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 5.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 6 RoomSimulation 191 6.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 6.1.1 RoomAcoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 6.1.2 Model-basedRoomImpulseResponses . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.1.3 MeasurementofRoomImpulseResponses . . . . . . . . . . . . . 193 6.1.4 SimulationofRoomImpulseResponses . . . . . . . . . . . . . . . 194 6.2 EarlyReflections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.2.1 Ando’sInvestigations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.2.2 GerzonAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.3 SubsequentReverberation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.3.1 SchroederAlgorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 6.3.2 GeneralFeedbackSystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 6.3.3 FeedbackAll-passSystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 6.4 ApproximationofRoomImpulseResponses . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 6.5 JavaApplet–FastConvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 6.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 7 DynamicRangeControl 225 7.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 7.2 StaticCurve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 7.3 DynamicBehavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7.3.1 LevelMeasurement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 7.3.2 GainFactorSmoothing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.3.3 TimeConstants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 7.4 Implementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.4.1 Limiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.4.2 Compressor,Expander,NoiseGate . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 7.4.3 CombinationSystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 7.5 RealizationAspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.5.1 SamplingRateReduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 7.5.2 CurveApproximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 7.5.3 StereoProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 7.6 JavaApplet–DynamicRangeControl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 7.7 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 8 SamplingRateConversion 241 8.1 Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 8.1.1 UpsamplingandAnti-imagingFiltering . . . . . . . . . . . . . . . 241 8.1.2 DownsamplingandAnti-aliasingFiltering . . . . . . . . . . . . . . 242 8.2 SynchronousConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 viii Contents 8.3 AsynchronousConversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 8.3.1 Single-stageMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 8.3.2 MultistageMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 8.3.3 ControlofInterpolationFilters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253 8.4 InterpolationMethods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 8.4.1 PolynomialInterpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 8.4.2 LagrangeInterpolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 8.4.3 SplineInterpolation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 8.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 9 AudioCoding 273 9.1 LosslessAudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 9.2 LossyAudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 9.3 Psychoacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 9.3.1 CriticalBandsandAbsoluteThreshold . . . . . . . . . . . . . . . 277 9.3.2 Masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 9.4 ISO-MPEG-1AudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 9.4.1 FilterBanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 9.4.2 PsychoacousticModels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 9.4.3 DynamicBitAllocationandCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 9.5 MPEG-2AudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 9.6 MPEG-2AdvancedAudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 9.7 MPEG-4AudioCoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 9.8 SpectralBandReplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 9.9 JavaApplet–Psychoacoustics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 9.10 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Index 317