Глава 12. Аудиосистема ПК. но искажается

но искажается. Потери происходят и при тиражировании — каждая перезапись или перепечатка вносит свою долю искажений.

С развитием электроники появилась возможность большую часть «путешест­вия» электрического сигнала производить в цифровой форме. Теперь входной сигнал (от микрофона) после предварительного усиления оцифровывается. В цифровой форме он может передаваться, храниться (долго и без накопления ошибок), подвергаться различным искусственным преобразованиям. При вос­произведении выполняются обратное преобразование в аналоговую форму, оконечное усиление и преобразование в акустические колебания. Для цифрового хранения акустической информации стали применять лазерные компакт-диски (Audio-CD) и магнитные ленты для цифровой звукозаписи (Digital Audio Tape, DAT), которые долгое время считались эталонами качества. По мере развития средств вычислительной техники возможности обычных PC доросли до того, чтобы пропускать через себя поток цифровых аудиоданных (или создавать соб­ственный).

Оцифровка звуковых сигналов

Для оцифровки аналогового сигнала применяются дискретизация по времени и квантование по уровню. Это означает, что регулярно (с постоянным перио­дом) производятся выборки (samples) мгновенных значений аналогового сигна­ла (рис. 12.2). Эти выборки квантуются при помощи аналого-цифрового пре­образователя (Analog-to-Digital Converter, ADC), или АЦП. На выходе АЦП информация представляется в виде двоичного кода — то есть числа, которое может принимать одно из множества дискретных значений, определяемых раз­рядностью преобразователя. Очевидно, чем выше разрядность, тем точнее это число может представлять мгновенное значение аналогового сигнала. «Может» потому, что для точности характеристика преобразователя должна быть еще монотонной и линейной. В идеале передаточная характеристика преобразовате­ля выглядит ровной «лесенкой» с одинаковыми ступеньками (линейность) и без провалов (монотонность). Поскольку мгновенные значения сигнала «не обязаны» попадать на ступеньки этой лесенки, при преобразовании возникают шумы квантования — отклонения квантованного значения от реального, в сред­нем половина кванта. Для высококачественной передачи музыки разрядность преобразователя должна составлять по крайней мере 16 бит — что мы и имеем в лазерных компакт-дисках, на качество которых будем ориентироваться для определенности.

Выбор частоты дискретизации определяется теоремой Котельникова: для адек­ватного восстановления частота дискретизации должна быть больше (лучше — с запасом) удвоенной частоты высших спектральных составляющих входного сигнала. Чтобы не интересующие нас более высокие частоты не искажали оцифровку, они должны быть тщательно отфильтрованы. В том же компакт-диске частота 44,1 кГц позволяет воспроизводить сигнал в полосе до 20 кГц — весь слышимый спектр.

Краткий экскурс в прикладную звукотехнику

■> t

Рис. 12.2. «Классическая» оцифровка аналогового сигнала

Обратное преобразование выполняется с помощью цифроаналогового преоб­разователя (Digital-to-Analog Convertet, DAC), или ЦАП, на вход которого по­ступает цифровой поток с той же частотой. Аналоговый сигнал после ЦАП дол­жен быть опять-таки отфильтрован — частоты выше половины частоты кванто­вания подавляются. К устройству ЦАП предъявляют те же требования по раз­рядности, линейности и монотонности. Разрядности АЦП и ЦАП могут и не совпадать — эффективная разрядность тракта будет определяться наименьшим значением (включая разрядность находящегося между ними цифрового канала передачи или хранения информации). Заметим, что достаточно быстродейст­вующий (около 20 мкс/преобразование) 16-разрядный АЦП стал широко до­ступным только в конце 80-х годов. ЦАП реализуется проще, поэтому проигры­ватели CD получили массовое распространение довольно давно (поначалу ис­пользуя более доступные 14-битные устройства ЦАП).

Как указывалась выше, частота дискретизации и разрядность квантования оп­ределяются требованием к полосе пропускания и динамическому диапазону тракта при заданном отношении сигнал/шум. Простейший способ цифрового представления сигналов называется импулъсно-кодовой модуляцией (Pulse-Co­de Modulation, PCM), или ИКМ. Поток данных РСМ представляет собой после­довательность мгновенных значений, или выборок, в двоичном коде. Если при­меняемые преобразователи имеют линейную характеристику (мгновенное значение напряжения сигнала пропорционально коду), то данная модуляция называется линейной (Linear PCM, LPCM). В случае РСМ кодер и декодер не выполняют преобразования информации, а только занимаются упаковкой/рас­паковкой бит в байты и слова данных. Интенсивность потока (bit rate) опреде­ляется как произведение частоты дискретизации (sample rate) на разрядность и на число каналов. Аудио-CD дает поток 44100 х 16 х 2 = 1411200 бит/с (сте­рео). При этом обеспечиваются диапазон воспроизводимых частот 5-20 000 Гц и динамический диапазон 96 дБ. Ленточные цифровые накопители (DAT) ра­ботают с частотами дискретизации 32, 44,1 или 48 кГц и разрядностью 16 бит. Соответственно, потоки данных — 1 024 000, 1 411 200 или 1 536 000 бит/с (стерео).

Если такой поток покажется слишком интенсивным, можно «смирить горды­ню» — понизить частоту и разрядность квантования. Очевидно, что с пониже­нием частоты дискретизации пропорционально снизится и доступная полоса

694___________________________________________ Глава 12. Аудиосистема ПК'

частот. Снижение разрядности приведет к повышению погрешности — уровня шумов квантования. Каждый отброшенный двоичный разряд повысит уровень этого шума на 6 дБ. Если нас интересует только разборчивая передача речи, можно «опуститься» до 8-битного преобразования с частотой 5 кГц — в моно это даст поток около 5 Кбайт/с. В телефонной связи используется 7-битные преобразования с частотой 8 кГц — поток 56 Кбит/с.

Для РСМ требуется подавление частот, превышающих половину частоты дис­кретизации, иначе появятся ложные частоты (aliases). Чтобы сохранить широ­кую полосу пропускания (до 20 кГц) при частоте дискретизации 44,1 кГц перед АЦП (и после ЦАП) требуются фильтры (аналоговые!) с большой крутизной характеристики (что не так-то просто обеспечить). Повышение частоты дискре­тизации, используемое в современных цифровых системах (48, 96 и даже 192 кГц), позволяет расширить диапазон воспроизводимых частот и упростить фильтры (но не АЦП!).

Для дисков SACD (Super-Audio CD), предложенных фирмами Sony и Philips на смену традиционным аудио-CD, решили вернуться к однобитному преобразо­ванию. Фирмыи предложили метод кодирования, названный DSD (Direct Stream Digital encoding), позволяющий обойти ряд проблем кодирования РСМ. Здесь используется так называемый дельта-сигма-АЦП (рис. 12.3, а), состоящий из квантизатора Q (компаратора) и фильтра-интегратора F, охваченных отрица­тельной обратной связью. Если уровень входного сигнала, аккумулированный за период дискретизации, превышает значение в цепи обратной связи, накоп­ленное за тот же период, то формируется единица. Если значение входного сиг­нала падает ниже, формируется ноль. Максимальное положительное значение представляется сплошным потоком единиц, максимальное отрицательное — по­током нулей, нулевой входной уровень — чередованием нулей и единиц. Такое цифровое представление можно назвать плотностно-импулъсной модуляцией (Pulse Density Modulation, PDM). Декодировать такой сигнал просто: достаточ­но пропустить единичные импульсы через интегрирующую цепочку (рис. 12.3, 6), и получится отображение исходного сигнала. Конечно, для того чтобы восста­новленный сигнал повторял динамику исходного, должна быть высокая частота дискретизации. В SACD используется частота 2,8224 МГц, то есть битовый по­ток имеет скорость чуть больше 2,8 Мбит/с на канал. Это в 4 раза больше, чем в CD/DA (705600 бит/с при 41,1 кГц х 16 бит). Такой формат обеспечивает ши­рокую полосу пропускания (0-100 кГц) и широкий динамический диапазон (120 дБ).

Аналоговый Аналоговый

Выход

■**0—*■ f —*■ Q

а б

Рис. 12.3. DSD-кодирование: а — кодер, б — декодер

Метод PDM по сравнению с РСМ имеет ряд преимуществ. Для PDM не требу­ется сложный фильтр нижних частот перед АЦП (и после ЦАП) — фильтра-

Поиск по сайту: