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Tutorial web de técnicas de digitalización de audio para la asignatura Tratamiento digital de audio

De
252 pages

El objetivo del presente proyecto fin de carrera es el desarrollo de un Tutorial Web para la asignatura de Tratamiento Digital de Audio, impartida en el tercer curso de Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad Sonido e Imagen. Este tutorial aborda las técnicas de digitalización más comunes aplicadas en audio digital para mejorar la relación señal – ruido de la secuencia digitalizada, que son, concretamente: sobremuestreo, dither y Noise-Shaping. Se expondrán, por tanto, los conceptos teóricos de la materia en combinación con aplicaciones interactivas que faciliten la experimentación práctica de las técnicas estudiadas._________________________________________
El Tutorial de Técnicas de Digitalización de Audio está disponible on-line en la url: http://www.tsc.uc3m.es/~sescalona/TutorialTecnicasDigitalizacionAudio.html Si el servidor no está disponible o existe algún problema de acceso, se adjunta el mismo en el fichero comprimido adjunto para ejecutarlo off-line.
Ingeniería Técnica en Sonido e Imagen
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UNIVERSIDAD
CARLOS III DE MADRID
ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR
DEPARTAMENTO DE TEORÍA DE LA SEÑAL Y COMUNICACIONES

PROYECTO FIN DE CARRERA
Tutorial Web de Técnicas de Digitalización de
Audio para la asignatura Tratamiento Digital de
Audio
INGENIERÍA TÉCNICA DE TELECOMUNICACIÓN:
SONIDO E IMAGEN
Autor:
FRANCISCO JAVIER MARTÍNEZ MENCÍAS
Tutor:
SERGIO SANZ RODRÍGUEZ-ESCALONA
Leganés, mayo de 2009




Datos generales del Proyecto

Título: TUTORIAL DE TÉCNICAS DE DIGITALIZACIÓN DE AUDIO PARA
LA ASIGNATURA TRATAMIENTO DIGITAL DE AUDIO

Autor: FRANCISCO JAVIER MARTÍNEZ MENCÍAS

Tutor: SERGIO SANZ RODRÍGUEZ-ESCALONA

Tribunal

Presidente: JOSÉ JESÚS GARCÍA RUEDA

Secretario: EDUARDO MARTÍNEZ ENRÍQUEZ

Vocal: LUIS AZPICUETA RUIZ

Resumen del Proyecto

El objetivo del presente proyecto fin de carrera es el desarrollo de un
Tutorial Web para la asignatura de Tratamiento Digital de Audio, impartida en el
tercer curso de Ingeniería Técnica de Telecomunicación, especialidad Sonido e
Imagen. Este tutorial aborda las técnicas de digitalización más comunes aplicadas
en audio digital para mejorar la relación señal – ruido de la secuencia digitalizada,
que son, concretamente: sobremuestreo, dither y Noise-Shaping. Se expondrán,
por tanto, los conceptos teóricos de la materia en combinación con aplicaciones
interactivas que faciliten la experimentación práctica de las técnicas estudiadas.

Calificación

Realizado el acto de presentación y defensa del Proyecto Fin de Carrera el
día 22 de mayo de 2009, en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la
Universidad Carlos III de Madrid, se acuerda otorgar la calificación de:
MATRÍCULA DE HONOR




Agradecimientos
Este proyecto y en realidad, la carrera universitaria que culmina con él, ha
sido posible que finalice con éxito gracias a las personas que durante todo este
tiempo me han rodeado y que merecen ser reconocidas. Quiero expresar mi más
sincero agradecimiento a todos ellos, puesto que humildemente, aunque el trabajo
personal y el esfuerzo sean necesarios, el apoyo de todos ellos ha sido
fundamental.
En primer lugar, mis padres, José Manuel y Lourdes, que son los
responsables de que haya llegado hasta aquí, ayudándome y guiándome en todo
momento, por el camino correcto. Quiero dedicárselo especialmente a mi hermano
pequeño Alejandro, a quien ahora le toca su turno en los estudios, deseándole
mucha suerte; y a mis abuelos Isabelo y Benedicta, a quienes tengo muchísimo
cariño y me ilusiona darles esta satisfacción.
Mis amigos del instituto, de mi barrio, que han sido siempre
importantísimos para mí, han entendido las dificultades por las que he pasado y
siempre me han animado a seguir adelante, aún cuando los exámenes y las clases
me hayan quitado tanto tiempo.
Mis compañeros de clase, de la universidad, quienes recordaré siempre, me
han aportado muchas cosas y guardo de ellos una gran amistad; juntos, tras tantas
horas de prácticas, biblioteca, trabajos, hemos conseguido llegar al final y superar
esta etapa.
También, quiero mencionar a mis jefes y compañeros de trabajo, que
durante el tiempo en el que empecé mi primera experiencia laboral y terminaba
este proyecto, fueron una gran fuente de consejos y ánimo.
Finalmente, como no, a Sergio, el tutor de este proyecto, por haber
depositado su confianza en mí y aportarme ideas muy valiosas y además, haber
tenido la paciencia suficiente para ayudarme a corregir mis errores y salvar las
dificultades.
A todos ellos, gracias



Índice de contenidos
1 Introducción ..................................................................................................................................... 13
1.1 Presentación del proyecto. Motivación y objetivos .............................................. 13
1.2 Tele-educación y e-learning ............................................................................................. 16
1.3 Estado del arte ........................................................................................................................ 22
2 Conceptos teóricos ........................................................................................................................ 33
2.1 Procesado digital de señal ................................................................................................ 33
2.1.1 Análisis espectral de señal ....................................................................................... 34
2.1.1.1 El análisis armónico de señales ........................................................................ 36
2.1.1.2 La Transformada de Fourier .............................................................................. 37
2.1.1.3 Densidad Espectral de Potencia y caracterización de procesos
estocásticos................................................................................................................................... 39
2.1.1.4 La Transformada Rápida de Fourier (FFT) ................................................. 43
2.1.1.5 Enventanado de señal ........................................................................................... 46
2.1.1.6 Cálculo de la DEP promedio. El método de Welch .................................. 50
2.1.2 Filtrado de señal ........................................................................................................... 52
2.1.2.1 Concepto ...................................................................................................................... 52
2.1.2.2 Estructura de los filtros digitales ..................................................................... 55
2.1.2.3 Aplicación de los filtros en las aplicaciones y diseño............................. 57
2.2 Técnicas de digitalización de audio .............................................................................. 62
2.2.1 Conversión analógico / digital (A / D) ............................................................... 62
2.2.1.1 Desarrollo teórico del proceso de conversión A / D .............................. 63
2.2.1.2 Digitalización de señales: motivación y ventajas ..................................... 68
2.2.1.3 Implementación práctica de la conversión A / D ..................................... 71
2.2.2 La cuantificación........................................................................................................... 73
2.2.2.1 Introducción .............................................................................................................. 73
2.2.2.2 Tipos de cuantificación ......................................................................................... 75
2.2.2.3 El ruido de cuantificación .................................................................................... 78
2.2.3 Sobremuestreo .............................................................................................................. 83
2.2.3.1 Interpolación ............................................................................................................. 83
2.2.3.2 Efecto del sobremuestreo sobre la SNR ....................................................... 84
2.2.3.3 Aplicación del sobremuestreo........................................................................... 85 2.2.4 Dither ................................................................................................................................. 88
2.2.4.1 El efecto del dither en la audición ................................................................... 88
2.2.4.2 Estudio experimental del dither ...................................................................... 89
2.2.4.3 Estudio analítico del dither ................................................................................ 90
2.2.4.4 Resumen ...................................................................................................................... 98
2.2.5 Noise – Shaping ............................................................................................................. 99
2.2.5.1 Introducción .............................................................................................................. 99
2.2.5.2 Estabilidad y ganancia ........................................................................................ 107
2.2.5.3 Noise-Shaping basado en modelos psicoacústicos ............................... 111
3 Tecnologías de desarrollo ........................................................................................................ 119
3.1 El entorno web ..................................................................................................................... 119
3.1.1 Introducción ................................................................................................................. 119
3.1.2 Lenguajes de presentación .................................................................................... 121
3.1.2.1 XHTML ........................................................................................................................ 121
3.1.2.2 CSS ................................................................................................................................ 123
3.1.2.3 Javascript ................................................................................................................... 126
3.1.3 Librería de Javascript JQuery .............................................................................. 127
3.1.4 Cuestiones de diseño web ...................................................................................... 128
3.1.4.1 Desventajas y puntos débiles del entorno web ...................................... 128
3.1.4.2 Navegadores de Internet ................................................................................... 129
3.1.4.3 Diseño web y usabilidad .................................................................................... 131
3.1.5 Análisis y seguimiento del sitio web: Google Analytics ........................... 137
3.2 Lenguaje de desarrollo Java ........................................................................................... 141
3.2.1 Características ............................................................................................................. 142
3.2.1.1 Orientación a objetos ........................................................................................... 142
3.2.1.2 Programación de alto nivel ............................................................................... 144
3.2.1.3 Multiplataforma ..................................................................................................... 145
3.2.1.4 Capacidad de desarrollo de aplicaciones para entorno web ............ 145
3.2.1.5 Desventajas .............................................................................................................. 146
3.2.1.6 Conclusiones y notas ........................................................................................... 147
3.2.2 Módulo de sonido JavaSound ............................................................................... 148
3.2.3 Librería de gráficas JFreeChart .......................................................................... 150
3.2.3.1 Introducción ............................................................................................................ 150


3.2.3.2 Integración en las aplicaciones del tutorial .............................................. 151
3.2.3.3 Estudio del rendimiento .................................................................................... 151
3.2.3.4 Uso de las gráficas ................................................................................................. 154
4 Diseño e implementación del tutorial ................................................................................ 159
4.1 Diseño web del tutorial .................................................................................................... 159
4.1.1 Vistas de las áreas del tutorial ............................................................................. 163
4.1.2 Esquema de organización del sitio web .......................................................... 165
4.2 Aplicaciones web ................................................................................................................. 175
4.2.1 Descripción y funcionamiento de las applets ............................................... 177
4.2.1.1 Disposición gráfica de los bloques principales ....................................... 177
4.2.1.2 Elementos y controles de las applets ........................................................... 179
4.2.2 Vista completa de las applets ............................................................................... 188
4.2.3 Uso aplicado de las applets ................................................................................... 190
4.2.3.1 Applet de cuantificación ..................................................................................... 190
4.2.3.2 Applet de sobremuestreo .................................................................................. 191
4.2.3.3 Applet de dither ..................................................................................................... 193
4.2.3.4 Applet de Noise – Shaping (sistema completo) ...................................... 196
4.3 Desarrollo de la implementación en Java las aplicaciones.............................. 201
4.3.1 Estructura básica ....................................................................................................... 201
4.3.2 Clases lanzadoras o de arranque ........................................................................ 203
4.3.2.1 Proceso básico de ejecución ............................................................................. 204
4.3.2.2 Métodos y clases internas ................................................................................. 206
4.3.3 Clases auxiliares ......................................................................................................... 210
4.3.3.1 ArchivoAudio ........................................................................................................... 210
4.3.3.2 Conversor .................................................................................................................. 213
4.3.3.3 Sonido ......................................................................................................................... 215
4.3.3.4 MétodosAuxiliares ................................................................................................ 216
4.3.3.5 Gráficas ....................................................................................................................... 218
4.3.3.6 Generador Aleatorio ............................................................................................ 223
5 Conclusiones y trabajo futuro ................................................................................................ 227
5.1 Conclusiones .......................................................................................................................... 227
5.2 Trabajo futuro ....................................................................................................................... 230
ANEXO I: Distribución y despliegue del proyecto web ....................................................... 233 ANEXO II: Estructura de clases y métodos de las applets .................................................. 237
Índice de figuras ..................................................................................................................................... 243
Pliego de condiciones .......................................................................................................................... 247
Presupuesto ............................................................................................................................................. 251







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