|
ZX Hard
#02
28 октября 1999 |
|
Цифровой звук - DIGITAL SOUND - виды цифврого звука.
──────────────────────────────────────── DIGITAL SOUND, или расставим точки над i ──────────────────────────────────────── (c) VTS'99 Мне кажется, этот вопрос слабо освещен в ZX-прессе, поэтому возникают некоторые заблуждения. Публикуемый здесь материал, полагаю, устранит часть из них. Знаковый (биполярный) ЦАП. Кто-то говорил, что сия фича обладает лучшим качеством звука, нежели униполярный (обычный) ЦАП. Вероятно, это чисто субъек- тивная оценка, т.к. такого быть в природе не может. Насколько я понимаю, биполярный код вы- дают дигитайзеры, которыми оцифровуют сэмплы (хотя я незнаком с пц). Этот же код можно потом выкидывать в биполярный ЦАП, а для униполярного нужно делать пересчет (прибавлять #80). Все бы ничего, но схемо- технически биполярный ЦАП обычно чуточки сложнее, а произвести пересчет сэмплов в униполярный код - секундное дело, т.е. ис- пользовать униполярный ЦАП выгоднее. И вот, значит, нам говорят, что, мол, ваши униполярные ЦАП'ы - маст дай. На самом же деле единственное его отли- чие - в формировании постоянной составляю- щей на уровне #80, которая затем отфиль- тровывается переходными конденсаторами в УНЧ. Причем уровень #80 постоянен только потому, что мы взяли оцифрованный биполяр- ный сигнал и сместили его на это значение. Если попытаться сгенерить какой-нибудь RND сигнал, то этот уровень сместиться и, кро- ме того, может изменяться. Если кто не знает, поясню понятие постоянной составля- ющей сигнала (Рис.1). Рис. 1 Итак, постоянная составляющая U0 - это среднее значение сигнала за некоторое вре- мя T. Причем если вычислить площадь, огра- ничиваемую линиями Ot, t=0, t=T и самим сигналом, то она будет равна площади пря- моугольника U0*T. А если сложить площади сигнала сверху и снизу линии ox, то они будут равны. Именно до этого напряжения заряжаются переходные конденсаторы, а за- тем "вычитают" его из сигнала, оставляя нагрузке лишь переменную составляющую. Причем время T определяется инерционностью конденсатора (т.е. постоянной времени ("тау") т=Rh*C). Так вот, если использованный ранее сиг- нал с U0<>#80, преобразовать и подать в биполярный ЦАП, там тоже появится постоян- ная составляющая, и она тоже отфильтруется конденсатором. Отдельно хочу предостеречь сторонников биполярного преобразования от попыток избавиться от ненавистного конден- сатора, используя усилитель с гальваничес- кими связями. Попадание упомянутой посто- янной составляющей чревато порчей ваших любимых 100-ваттных колонок (если Вы не предусмотрели защиту). "А нафиг тогда вообще нужны биполярные ЦАП, ведь кто-то их придумал ?" - спросите Вы. Да, они нужны, но не для получения di- gital sounds, а скажем, для управления двигателем (изменение направления враще- ния), да мало ли чего еще... Динамический диапазон. Весьма спорное понятие. Одни считают его отношением max значения сигнала к уровню шумов, а другие - к уровню min зна- чения сигнала, причем у первых получается куда большая цифра (которая и рекламирует- ся), а как считают вторые, я и вовсе не понимаю (т.к. критерием min уровня сигнала выступает субъективная оценка его качества - [1], что недопустимо). Весь прикол в том, что в аналоговой технике эти оба оп- ределения идентичны, т.к. при малых уров- нях сигнала активные усилительные элементы практически не вносят искажений, потому как работают на узком участке характерис- тики, где она практически линейна (за иск- лючением режима B, дающего значительные искажения и при большом сигнале). А min уровень сигнала ограничивается его разли- чимостью на фоне шумов, т.е. собственно уровнем шумов. В digital канале есть единственный не- устранимый шум, "от природы" - шум кванто- вания. При этом все остальные шумы - ком- мутационные, из цепей питания, шумы актив- ных элементов аналогового тракта, тепловые шумы, и т.д., видимо, настолько легко уст- ранимы, что о них можно даже не вспоми- нать, и вписывать в рекламу заветную цифру 96 дБ... Оставим эти шумы на совести рек- ламы, и разберемся с шумом квантования. Возникает он по банальной причине - ко- нечному количеству ступенек квантования, определяемого разрядностью цифрового кана- ла. Т.к. исходный сигнал - непрерывный, а оцифрованный - дискретный, то всегда су- ществует ошибка квантования, которая все время изменяется. После восстановления в аналоговый сигнал эта ошибка превращается в шум квантования. Спектр этого шума рас- положен выше по частоте, чем спектр полез- ного сигнала, а пик приходиться на частоту дискретизации. Если этот шум отфильтро- вать, то получиться полностью идентичный входному сигнал. Но об этом позже. Пусть у нас нет никаких фильтров. Тогда согласно [2] уровень шума квантования определяется как: Kш = -(6*N+1.8) [дБ], где N - число разрядов. Тогда при N=16 получим Kш=-97.8 дБ, а при N=8 - Kш=-49.8 дБ Теперь займемся вторым определением ди- намического диапазона, реально отражающего положение вещей. Положим min амплитуду сигнала в 1 еде- ницу младшего разряда, и получим следующее выражение: D = 6*N [дБ] При N=16 получим D=96 дБ, а при N=8 имеем D=48 дБ. Собственно эти цифры обычно и приподно- сятся. Однако из начальных условий следу- ет, что на min уровне сигнал принимают од- нобитовым ! со всеми вытекающими качест- венными характеристиками... Т.е. необходимо задаться порогом нели- нейных искажений. На самом деле в теории это не так просто, а на практике просто делаются соответствующие измерения [2]. Намного проще перейти от max допустимых нелинейных искажений к min допустимому ко- личеству разрядов. Обычно допускают Khu=10%, что примерно соответствует 4-раз- рядному кодированию [2]. Может, это и не- верно с позиций теории, но зато позволяет легко оценить динамический диапазон. Хотя понятия нелинейных искажений и разрядности квантования не являются синонимичными, од- нако и то, и другое четко определяет иска- жения. Следовательно, в теоретическом оп- ределении, оперирующим max допустимым Khu.max, можно использовать min допустимое Nmin. Теперь динамический диапазон можно оценивать непосредственно количеством раз- рядом (т.е. используя двоичный логарифм вместо десятичного): D2 = N-Nmin = dN [бит] Приняв Nmin=4, имеем dN = N-4 [бит]. А можно перейти и к десятичному основа- нию: D = 6*dN [дБ] Для N=16 имеем D=72 дБ при Nmin=4 и D=48 дБ при Nmin=8. Напоследок хочу сказать, что описанные выше случаи - идеализированные. На самом деле в тракте есть еще куча шумов, которые не так-то просто устранить, и куча источ- ников нелинейных искажений, начиная с ЦАП/АЦП и заканчивая аналоговыми усилите- лями, и даже микрофонами/динамиками... Просто так в лоб их не возьмешь... Но это уже не относиться к теории цифровой обработки сигналов. Передискретизация. Что это такое и с чем ее едят - можно прочитать в SE#2 ([1]), в статье про комп- ьютерную музыку. Если кратко, передискре- тизация представляет собой заполнение про- межутка времени между двумя соседними от- четами дополнительными отчетами, значения которых вычисляются интерполяцией в соот- ветствии с импульсной характеристикой иде- ального прямоугольного ФНЧ (к сведению - именно это и есть таинственный фильтр Ко- тельникова). В простейших случаях можно использовать обычную линейную интерполя- цию. Т.о. передискретизация - это просто цифровая фильтрация, с повышенной частотой дискретизации. Необходима она потому, что в обычных саунд-картах нету на выходе ни- какого ФНЧ. Если для fkb=ЧЧкГц это почти нормально, то для 8кГц'овых сэмплов это выливается в ВЧ-шумы в полосе от ЧкГц до 22кГц. Однако достаточно качественную фильтрацию даст обычный аналоговый ФНЧ примерно восьмого-десятого порядка. Так, для 8 порядка нужно 4 операционных усили- теля, т.е. всего 1 корпус К1401УД2 (для стерео - два корпуса). Подобный фильтр со- бираются сделать и для GS. По исследовани- ям X-Trade, его частота среза для боль- шинства сэмплов равна 10-12кГц. Кстати, в районе 16-18 кГц у большинства нормальных людей лежит граница слышимости. На TV по- лоса 1OOГц-1OкГц (15.62SкГц - частота строк), на FM и аудио-кассетах около 1бкГц... Но, например, музыканты слышат до 22кГц. Кроме того, есть гипотеза, что ВЧ-шумы (далеко за 2OкГц) все же восприни- маются как искажения. Ладно, пора закругляться. Вообще-то я хотел еще о паре мулек рассказать. Но ре- шил пока отложить. Литература: 1. Spectrum Expert #2. 2. Радио, 1991, N11-12. Звукотехника, Устройства преобразования аналоговых сиг- налов.
Другие статьи номера:
Похожие статьи:
В этот день... 21 ноября