|
| |
  |
Теория строительства Книги и журналы Система цифровой звукопередачи тем экономичнее, чем меньше произведение частоты дискретизации на число бит в выборках, т. е. частота дискретизации должна быть как можно более низкой. Для того чтобы определить нижний предел, необходимо знать ту ширину полосы частот, которая обеспечивает высококачественную передачу звука [75]. Основываясь на теореме В. А. Котельникова и исходя из технической возможности реализации фильтров нижних частот, можно сделать вывод о том, что частота 32 кГц является наинизшей частотой дискретизации, гарантирующей ширину полосы звуковых час» тот до 15 кГц. Различные "1 »1 предложения, касающиеся расширения диапазона звуковых частот до 20 кГц и выбора частот дискретизации 44,1 кГц или 48 кГц исходят из технических и экономических соображений, но никак не основываются на характеристиках человеческого слуха. Точность квантования. При аналоговой звукопе-редаче сигнал рассматривается как напряжение (или ток), которое может принимать любое значение между некоторыми минимумом и максимумом. В связи с неограниченно большой логовых способов передачи 1 2 3 It moo) г,5-о -5 -7,5- ~-То (mil 9 10 fl !? 13 я 2 3 4 5 6 7 (OWI) moo] 115 t Рис. 1.2. К пояснению принципа квантования (4-битные выборки): / - квантованный номер бита; , / - наиболее и наименее значащие биты; Т - период дискретизации разрешающей способностью ана-напряжение сигнала, например, 0,4558776 В, действительно отличается от напряжения 0,4558777 В. Однако при наличии аналогового шума разрешающая способность определяется именно уровнем такого шума. Если уровень шума выше указанных величин напряжений, то различить эти напряжения не представляется возможным. В цифровой звукопередаче сигнал представляется в виде значений бит (единиц и нулей) в словах, содержащих п бит (рис. 1.2). Всего может быть 2" отличающихся друг от друга слов. Например, если слово состоит из 10 бит, то таких слов может быть 1024. Для того чтобы двоичное слово отобрансало определенный уровень сигнала, сигнал разбивают на такое количество участков, сколько имеется различных двоичных слов. Если требуется преобразовать аналоговый сигнал, изменяющийся в диапазоне -\-\...-1 В с помощью 10-битовых слов, диапазон напряжений 2 В необходимо разделить на 1024 участка (рис. 1.3). Если все участки выбрать одинакозы.\(И, то при переходе от одного участка к другому напряжение изменяется на 0,001953 В, а двоичное слово отображает значение напр.чжения в середине участка. Таким образом, специфической особенностью UOCOO 0,9980 I, 0,9961 0,99И 0,99ZZ 0,990Z 0,9883 0,9863 0,98¥t -L" Двоичное число ООО ООО 0001 ООО ООО OOiO ООО ООО ООН ООО ООО 0100 ООО ООО OlOt ооо ООО от ООО ООО от ООО ООО 1000 КИМ техники является конечное число уровней, с помощью которых отображаются амплитуды выборок. Такой процесс квантования приводит к тому, что амплитуды выборок могут отличаться не более чем на половину уровня квантования от своих точных значений. Эта ошибка тем меньше, чем больше число уровней квантования. При достаточно точном квантовании ошибка принимает форму белого шума, который сопровождает полезный сигнал и называется шумом квантования [7]. Если принять сопротивление нагрузки равным единице, то мощность шума квантования можно определить по формуле Ла = q/l2, где q - интервал между уровнями квантования. Если в системе с линейным квантованием желаемый уровень сигнала очень мал и для него требуется всего несколько уровней квантования, то характер шума изменяется: белый шум становится менее однородным (гранулярным) . При отсутствии аналогового сигнала на входе системы на выходе ее теоретически сигнал также должен отсутствовать. Практически, однако, на выходе АЦП появляется случайная информация, обусловленная тепловыми шумами аналоговых цепей, сетевыми и переходными помехами, смещениями постоянных уровней, которые в результате превышают нижний уровень квантования (рис. 1.4). После цифроаналогового преобразования это явление будет наблюдаться как фоновый шум (шум ненагруженного канала), который на 4,7 дБ больше шума квантования, т. е. Возможно одновременное уменьшение шума квантования и фонового шума увеличением числа уровней квантования, т. е. уменьшением разности амплитуд смежных уровней. Кроме того можно использовать регулярный высокочастотный сигнал малой амплитуды, которая позволяет превысить самый низкий уровень квантования и тем самым снизить чувствительность системы к мешающим случайным сигнала.м. Для линейных КИМ систем можно рассчитывать и уровень интерференции, вызванной процессом квантования. Отношение максимальной мощности полезного сигнала к мощности шума определяется по формуле [671 SmsjN,\,5K\ (1.1) где X - число уровней квантования. Преобразовав формулу (1.1) логарифмированием к виду а, = 101og(5„wA,) и приняв X = 2" (где п - число бит, приходящееся на одну выборку), получим соотношение, дБ, а,л; (6,02п-h 1,76). (1.2) -ib 3- Рис, КЗ. Диапазон напряжений + 1...-1 В, разделе.чный на 1024 участка Оно действительно для систем, использующих все уровни квантования, вследствие чего определяет невзвешенное эффективное значение отношения сигнал/шум. Соотношение (1.2) применяется для нахождения динамического диапазона системы, так как оно определяет различие между экстремальными уровнями сигнала, используемого в КИМ системе. Компандирование. Линейное квантование не является наиболее экономичным способом преобразования сигнала, чтобы максимально уменьшить скорости передачи бит в канале. Так как уменьшение частоты дискретизации, т. е. ширины полосы частот, связано с ухудшением качества передачи, то единственный путь уменьшеии- ско. St \  Рис. 1.4. Механизм вознишовения фонового шума Рис. 1.5. Стандартизированная характеристика компрессирования рости передачи бит в канале - сокращение их числа в выборке. Однако и такое решение ведет к снижению качества передачи звуковых сигналов, поэтому оно не может быть принято при линейном квантовании. При кодировании источника сигналов число бит на выборку можно уменьшить, приняв характеристику квантования нелинейной [62]. В этом случае для больших мгновенных значений сигнала различие в амплитудах квантованных уровней возрастает пропорционально сигналу. Такую нелинейную характеристику можно получить с помощью четырехполюсника (компрессора), установленного перед квантователем (рис. 1.5). Для расчетов используются две аппроксимации характеристики компрессии: 1п(1 + р,х) у = sgn {х) ln(l-f р) называемая .1-законом, и 1 \п(А\хI) 1 In А А\х\ у = sgn (х) у = sgn (X) пои 1 I X I • 1 + In л 1>о, называемая Л-законом. 0 [ 1 ] 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 шифер 8-волновой |