Раздел: Документация
0 1 2 3 4 5 6 7 ... 117 нический контакт с воспроизводящей головкой, детонация ЛПМ — вот далеко не полный перечень недостатков при магнитной записи аналогового сигнала. Тем не менее, с момента изобретения в 1877 г. первого устройства для записи и воспроизведения звука — фонографа — вплоть до 1982 г. для записи/воспроизведения звуковой программы на носитель использовался аналоговый сигнал. Совместная разработка SONY и PHILIPS формата Compact Disc Digital Audio System открыла новое направление в технике записи/воспроизведения звука: цифровое. Цифровая аудиотехника оперирует с цифровым представлением аналогового сигнала, т.к. цифры записать и хранить на носителе значительно проще, чем постоянно изменяющийся сигнал. В вышеупомянутом формате для записи цифрового сигнала используется оптический носитель: компакт-диск. Цифровая запись на такой носитель, по сравнению с традиционной записью аналогового сигнала, обладает высокой плотностью, которая определяется длиной волны лазерного излучения и диаметром сфокусированного луча, малым временем доступа к любому участку записанной программы. Сам оптический носитель характеризуется высокой надежностью и долговечностью, что обусловлено бесконтактным способом записи/воспроизведения. Многолетний опыт применения аналоговой аудиотехники позволил установить соответствие между объективными результатами измерений факторов, влияющих на качество звука, и субъективным восприятием соответствующих искажений. В цифровой аудиотехнике, имеющей огромный потенциал, этот опыт отсутствует. Тем не менее, за 20 лет развития формата Compact Disc Digital Audio System был установлен ряд причин, отрицательно влияющих на качество звука. К сожалению, устранение этих причин идет вразрез с интересами производителей, и все усовершенствования направлены, в первую очередь, на снижение себестоимости изделий. В цифровой аудиотехнике для представления аналогового сигнала в цифровом виде используется двоичная система счисления, т.е. комбинации, состоящие из двух цифр: 0 и 1. Двоичное число в виде последовательности 0 и I количественно может представлять собой любую величину, как десять цифр 0...9 в десятичной системе. При счете в десятичной системе, достигнув наибольшей цифры 9, на следующем шаге в разряд единиц подставляется 0, а в разряд десятков переносится 1, что в результате дает число 10. При счете в двоичной системе наибольшая цифра 1, и > потому подстановка 0 и перенос единицы в старший разряд происходят на каждом втором счете. Подобно тому как значение единицы в соседних разрядах десятичного числа отличается в десять раз (единицы, десятки, сотни и т.д.), в двоичной системе счисления значение цифры от разряда к разряду отличается в два раза (разряд единиц, разряд двоек, разряд четверок, разряд восьмерок и т.д.). Например, двоичное число 1011 (1 в разряде единиц, 1 в разряде двоек, 0 в разряде четверок, 1 в разряде восьмерок) соответствует в десятичной системе счисления числу 11. Соответствие между десятичными и двоичными числами показано в табл. 1.1. Сложение чисел в двоичной системе счисления выполняется следующим образом: 0001 0010 ООП 0001 0001 0001 0010 ООП 0100 То есть, как было сказано раннее, сложение двух единиц в одном разряде дает обнуление этого разряда и перенос единицы в следующий, старший разряд. таблица 1.1. соответствие между десятичными и двоичными числами
Десятичное число может быть представлено в двоичной системе счисления при условии достаточного количества разрядов двоичного числа. Наибольшее десятичное число, которое может быть представлено в двоичной системе с количеством разрядов X равно 2х - 1. Например, двоичным числом, имеющим 5 разрядов, можно представить десятичные числа в диапазоне 0...31 (25 - 1). Десятичное число 31 в двоичной системе будет представлено как 11111 (1 в разряде единиц, 1 в разряде двоек, 1 в разряде четверок, 1 в разряде восьмерок и 1 в разряде шестнадцать). Итак, в цифровых схемах изменяющийся во времени аналоговый сигнал представлен в виде двух состояний: логическая 1 означает наличие сигнала, а логический 0 — его отсутствие. В связи с тем, что в цифровых форматах исходный аудиосигнал является двух-полярным, то возникает необходимость отображения положительных и отрицательных размахов напряжения. Для этой цели используется так называемый двоичный дополнительный код. При кодировании двоичного числа в дополнительном коде старший разряд является знаковым, т.е. несет информацию о знаке числа. Если число положительное, то в знаковом разряде записывается 0, если же число отрицательное, то в знаковом разряде записывается 1. 1.2. Дискретизация аналогового сигнала и его квантование по уровню Согласно тому, что аналоговый сигнал представляет собой напряжение, изменяющееся во времени, в основе его преобразования в цифровую форму лежит процесс измерения мгновенных значений амплитуды через равные промежутки времени и представления полученных значений, называемых отсчетами, в виде последовательности двоичных чисел. Такой процесс называется аначого-цифровым преобразованием, а устройства для его реализации — аналого-цифровыми преобразователями или АЦП (Analog-Digital Converter). Как видно из самого определения, амплитуда сигнала и его временные параметры, которые потребовались бы для записи сигнала на аналоговый носитель, закодированы и сохранены в цифровом виде. Метод аналого-цифрового преобразования реализован следующим способом. С помощью высокостабильного тактового генератора аналоговый сигнал делится на одинаковые временные отрезки, называемые тактовыми интервалами. Этот процесс называется дискретизацией (sampling), а частота следования тактовых интервалов — частотой дискретизации. Значение амплитуды сигнала в начале каждого тактового интервала (отсчет) запоминается и сохраняется до начала следующего тактового интервала устройством выборки-хранения (sample-hold). Значение величины каждого отсчета измеряется и выражается ближайшим по значению двоичным числом. Этот процесс называется квантованием. Для этого весь диапазон возможных изменений аналогового сигнала делится на множество уровней квантования, число таких значений — уровней или шагов квантования — определяет точность величины отсчета и зависит от количества разрядов двоичного числа. Чем больше разрядов, тем точнее можно выразить числовое значение амплитуды сигнала. Из сказанного следует, что дискретизация несет в себе временную информацию, а квантование по уровню — информацию об амплитуде сигнала. Нсли таким образом закодированный сигнал записать на носитель информации, а затем при воспроизведении выполнить обратное преобразование (т.е. декодировать записанную последовательность двоичных чисел с сохранением исходных параметров), то можно получить форму аналогового сигнала подобно той, которая была до процесса аналого-цифрового преобразования. Процесс, при котором происходит обратное преобразование последовательности отсчетов в аналоговый сигнал, называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройства для его реализации — цифро-аналоговыми преобразователями или ЦАП (Digital Analog Converter). На вход ЦАП подается последовательность импульсов, а на его выходе аналоговый сигнал представлен в виде ступенчатою сигнала, где величина ступеньки численно равна значению соответствующих отсчетов. Для получения из ступенчатого сигнала пологой кривой, повторяющей исходный аналоговый сигнал, необходимо на выходе схемы ЦАП поставить ФНЧ. На рис. 1.1 графически отображены процессы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразований звукового сигнала с использованием четырехразрядного квантования. В данном примере для квантования сигнала использовалось только четыре разряда двоичного числа, что для точного представления аналогового сигнала в цифровой форме, конечно же, недостаточно. В формате Compact Disc Digital Audio для получения высококачественного воспроизведения звука используется 16-разрядное квантование, которое позволяет получить 216 = 65536 возможных значений сигнала. Зависимость динамического диапазона D звукового сигнала от числа разрядов квантования N выражается следующим образом: D = 6N + 1,76 дБ. При 16-разрядном квантовании динамический диапазон может составлять: 6x16 +1,76 дБ = 98 дБ. Процессу квантования сигнала по уровню присущи недостатки. Как следует из теории самого процесса квантования, отсчеты могуг принимать только значения, кратные шагу квантования, т.е. результат квантования не может быть точным представлением мгновенного напряжения аналогового сигнала. Появление ошибок при определении значений выборки хорошо видно на рис. 1.2. На этом рисунке только значение сигнала при четвертом отсчете точно совпало с уровнем квантования и его можно точно выразить двоичным числом. При остальных отсчетах мгновенные значения напряжения аналогового сигнала попадают между уровнями квантования. В этом случае значение напряжения будет представлено значением ближайшего уровня. Возникающая при этом погрешность (разность между фактическим значением напряжения и дискретной величиной уровня, представляющей это значение) на рисунке отмечена фигурной скобкой. Случай, когда величина погрешности имеет максимальное значение, показан на примере первых двух отсчетов. Здесь фактическое значение напряжения аналогового сигнала точно попадает между двумя соседними уровнями, и величина ошибки будет равна половине шага квантования. При восстановлении аналогового сигнала, его форма будет 0 1 2 3 4 5 6 7 ... 117
|
