C-Net Week #21 20 февраля 2000

Программирование

Звук - Парадоксы цифрового звучания: статья о аналого-цифровом преобразовании/цифро-аналоговом преобразовании.

Парадоксы цифрового звучания.

DJ.SERG/ACL
───────────

    Привет    всем   мемберсам
гродненской  сети  С-Нет!!!  Я
тут  решил  осветить некоторые
проблемы  обработки  звука. Мы
поговорим  о  аналого-цифровом
преобразовании,а         также
поговорим  о  цифро-аналоговом
преобразовании.
        Типа предисловия...;-)


    Преобразование аналогового
звукового  сигнала  в цифровой
протекает  в несколько этапов.
Сначала    аналоговый   сигнал
подается на аналоговый фильтр,
который   ограничивает  полосу
частот   сигнала  и  устраняет
помехи   и   шумы.   Затем  из
аналогового  сигнала с помощью
схемы         выборки/хранения
выделяются      отсчеты:     с
определенной    периодичностью
осуществляется     запоминание
мгновенного           значения
аналогового   сигнала.   Далее
отсчеты   поступают   в   АЦП,
который преобразует мгновенное
значение  в  числа. Полученная
последовательность         бит
цифрового   кода   и  является
звуковым  сигналом  в цифровой
форме    (о    размерах   этой
последовательности   поговорим
позже).  Еще  отмечу,  что для
защиты  от возможных ошибок, а
также   для   согласования   с
параметрами  канала  записи  в
цифровой  код  может вводиться
служебная информация.

    Главную  роль  в  процессе
преобразования    сигнала   из
аналоговой  формы  в  цифровую
играет   АЦП   (Analog/Digital
Converter-ADC).

    Рассмотрим     поподробнее
аналого-цифровое преобразовани

    Дискретизация           (в
литературе  можно  встретить и
такое              понятие,как
оверсэмплинг,     это     тоже
самое)это    процесс    взятия
выборки     через     заданный
интервал   времени   (интервал
дискретизации).

    Преобразование аналогового
сигнала       в       цифровой
осуществляется           путем
кодирования         мгновенных
значений     его     амплитуды
(отсчетов)        16-разрядным
двоичным кодом (см.рис.1). Тем
**************           самым
**************  обеспечивается
**************     возможность
**************     отображения
**************        звуковой
**************(   программы   с
динамическим диапазоном:
    D=6n+1.8=6*16+1.8=98db, гд
n-число двоичных разрядов(16).
Отсчеты   следуют  с  частотой
44.1,  48,  88.2,  96 кГц. Эта
частота    и    есть   частота
дискретизации.
    Из  теории  известно,  что
для правильного восстановления
исходной   формы   аналогового
сигнала    необходимо,   чтобы
частота  оцифровки  Fd была по
крайней мере выше максимальной
частоты    Fmax    в   спектре
отображаемого        звукового
сигнала.      Как     правило,
Fd=(2.1-2.4)*Fmax.
    В   формате  CD  наивысшая
частота  спектра равна 20 кГц,
поэтому  частота дискретизации
44.1  кГц  вполне подходит для
целей   преобразования  такого
сигнала.   Поскольку   система
стереофоническая,   то  такому
преобразованию    подвергаются
оба канала.
    Теперь     поговорим     о
цифро-аналоговом преобразовани
и  о его главном элементе-ЦАПе
(DAC-Digital/Analog Converter)
    Собственно    говоря,   от
блока ЦАП зависят все основные
параметры   звука:   отношение
сигнал/шум,       динамический
диапазон,               полоса
воспроизводимых    частот,   а
также его тембральная окраска.
    Если      говорить      об
особенностях звучания цифровой
аппаратуры,    то   не   лишне
вспомнить о том, что многие из
них    вытекают   из   природы
первоначального   процесса   -
аналого-цифрового
преобразования.
    Преобразование аналогового
сигнала       в       цифровой
(квантование)  производится  в
системе   CD   с  16-разрядной
точностью.  Это  означает, что
весь     диапазон    возможных
изменений   амплитуды  сигнала
разбивается    на   2^16=65536
одинаковых       уровней-шагов
квантования.             Через
определенные         интервалы
времени-периоды  дискретизации
величина             амплитуды
оценивается,     и     ей    в
соответствие ставится величина
ближайшего  уровня квантования
(см. рис.2).  Величина ошибки,
****************  которая  при
****************   этом  может
**************** возникать, не
****************        должна
****************     превышать
****************) половины шага
квантования+-1/2*65536,    что
соответствует         примерно
искажениям    около   0.0015%.
Отношение           сигнал/шум
получается     около     98дб.
Искажения      такого     типа
называются  шумом квантования.
Если  сравнить  его величину с
величиной  шума при аналоговой
записи  (70дб) и коэффициентом
нелинейных  искажений  (0.3%),
то  величина  шума квантования
может                считаться
пренебрежительно малой. Но эта
величина         действительна
ничтожна  только  при  высоком
уровне            музыкального
сигнала-когда   его  амплитуда
близка      к     максимальной
(рис.2а).
    Если   же   в   фонограмме
встречаются  фрагменты  тихого
звучания   -  скажем,  такого,
который     кодируется     3-4
разрядами,    то   соотношение
между   полезным   сигналом  и
шумом     квантования    резко
меняется  (рис.2б). При уровне
сигнала,    для    кодирования
которого     достаточно    4-х
разрядов,     величина    шума
квантования  будет  составлять
1/2^4=6.25%. А это уже много.
    Кстати,  заметьте,  что  в
аналоговой  записи  чем слабее
сигнал, тем он чище, так как в
нем      меньше     нелинейных
искажений. При цифровой записи
все    наоборот-чем    сильнее
сигнал, тем он качественнее, а
слабые  сигналы  передаются  с
искажениями.
    Тем        не       менее,
ступенчатость        цифрового
сигнала   не   должна  внушать
фатального ужаса. Ведь даже из
последовательности прямоугольн
импульсов    можно    выделить
прекрасную    синусоиду   (1-ю
гармонику).    Так   чего   уж
говорить  о ступеньках в 65536
раз меньше.
    И   еще   о   ЦАПах.  Надо
сказать,  что  высокоразрядные
ЦАПыдовольно           дорогое
удовольствие  из-за  сложности
их      производства.      При
изготовлении             таких
преобразователей    необходима
очень      точная     подгонка
взвешивающих       резисторов,
являющихся             основой
многоразрядных    ЦАПов.   Для
16-разрядного     ЦАПа     эта
точность   составляет   ту  же
величину,   что   и  требуемое
разрешение   в   1/65536.  Для
18-разрядного   ЦАПа  это  уже
будет    1/262144,    а    для
20-разрядного   -   1/1048576.
Получить   такую   точность  в
современных  условиях  сложно.
Из-за   этого   реальные  ЦАПы
всегда     имеьт     некоторую
нелинейность преобразования.
    Иногда  вместо одного ЦАПа
в      каждом     стереоканале
используют  по  два.  При этом
один   из   ЦАПов  преобразует
положительную        полуволну
сигнала,        другой       -
отрицательную.    Эффект    от
такого   включения   в   общем
случае эквивалентен увеличению
разрешающей   способности   на
один разряд.