Главная » Книги и журналы

1 2 3 4 ... 16

устройства записи

Под аналоговым методом записи понимается прямая запись-воспроизведение электрических сигналов без их промежуточного преобразования, т. е. когда остаточная намагниченность магнитного носителя адекватна входному сигналу [52]. Этот метод получил наибольшее распространение в звукозаписи благодаря простоте реализующих его электронных устройств. Несмотря на простоту получение полного соответствия воспроизводимого сигнала сигналу записи при прямом методе принципиально невозможно Сам процесс записи существенно нелинейный, и даже применение высокочастотного подмагничивапия для исключения гистерезиса материала магнитного носителя не обеспечивает линейной зависимости между остаточной намагниченностью и током записи.

Для обеспечения нелинейных искажений полезного сигнала меньше 1 % уровень его должен быть достаточно малым, так как остаточная памагииче11ность магнитного носителя в этом случае не превышает 25 % от максимально возможной [11]. Это ограничивает отношение сигнал/шу.ад величиной 50-60 дБ, которая недостаточна для высококачественной записи звуковых сигналов (например динамический диапазон симфонического оркестра 90-100 дБ). Нелинейная зависимость между остаточной намагниченностью .магнит!ю-го носителя и током записи, кроме гармонических, приводит к большим интермодуляционпым искажениям, которые не нормируются современной нормативной документацией на бытовые магнитофоны, но очень неприятно воспринимаются на слух. При прямом .методе записи существует большая паразитная модуляция амплитуды воспроизводимого сигнала, уровень которой часто превышает 40-50 %. Использование различного рода шумоподавителей повышает отношение сигнала к шуму паузы на выходе магнитофона, но совершенно не уменьшает модуляционных шумов. Кроме того они неизбежно приводят к динамическим искажениям, которые также неприятно воспринимаются на слух.

При прямом методе записи вносимые в воспроизводимый сигнал искажения и несовершенство механизма транспортирования магнитного носителя за счет непостоянства скорости его движения вызывает плавание (детонацию) звука. Даже в самых высококачественных л!агнитофонах детонация звука находится на уровне 0,1 %. Все перечисленные искажения увеличиваются при перезаписи. Каждая перезапись приводит к заметным линейным и нелинейным искажениям, увеличивает уровень шумов, плавание звука и паразитную амплитудную модуляцию.

Этих недостатков лишена запись электрических сигналов, при которой описание сигналов производится цифровым представлением. Для этого входной сигнал квантуется по времени и уровню и на магнитном носителе записываются группы импульсов, которые при воспроизведении формируют исходный сигнал. Таким образом, на качество сигнала не влияет процесс магнитной записи-воспроизведения, а определяется лишь параметрами аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей. Современные устройства для цифровой записи звука обеспечивают получение отношения сигнала к шуму 90-92 дБ, коэффициент нелинейных искажений и коэффициент детонации меньше 0,005 и 0,001 % соответственно, паразитная амплитудная модуляция отсутствует. При перезаписи последующие копии не отличаются от оригинала, кроме того, при изготовлении обеспечивается высокая нденгичность отдельных экземпляров цифровых магнитофонов.

2. ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЦИФРОВОЙ ЗВУКОПЕРЕДАЧИ

Цифровая звукотехника основана на кодово-импульсной модуляции (КИМ). Еще в 1938 г. был заявлен патент на использование КИМ для передачи речи, но лишь в настоящее время благодаря но-вы.м конструктивным элементам КИМ приобрела самое широкое применение [67]. Главным преимуществом цифровой звукотехники является независимость объективно измеренного и субъективно оцененного качества звука от помех, существующих в линии передачи, или создаваемых носителем информации. Поэтому качество выходного сигнала определяется в основном погрешностями преобразования аналогового сигнала в КИМ сигнал.

Кодирование источника осуществляется в три этапа: дискретизации по времени (выборки, временного квантования); квантования по уровню (амплитудного ква.чтования), кодирования квантованных значений. Избранные частота дискретизации, число уровней квантования, частота ошибок в кодированной информации на всем пути ее передачи являются главными факторами при оценке качества цифровой звукопередачи.

В аналоговой звукотехнике при оценке качества необходимо учитывать значительно большее число факторов, например, ширину по досы частот, отношение сигнал/шум, линейные и нелинейные искажения, затухание перекрестных помех, модуляционный шум, колебания высоты тона и др. Многолетний опыт применения аналоговых систем звукопередачи позволил установить соответствие между объективными результатами измерений каждого из факторов с субъективным восприятием соответствующих искажений. В цифровой звукотехнике такой опыт отсутствует, а измерительные методы регистрации и контроля качественных параметров еще только разрабатываются. Поскольку нецелесообразно делать заключение о качестве цифровой звукопередачи лишь через восприятие органами слуха человека, важно найти зависимости между измеряемыми и расчетными значениями и субъективным их восприятием. .

Рассмотрим главные факторы, влияющие на качество звукозаписи.

Частота дискретизации. Непосредственное влияние на качество передаваемого звукового сигнала оказывает ширина полосы частот системы передачи. В соответствии с теоремой В. А. Котельникова /д > 2/,.в, где /д - частота дискретизации, /з.в - ширина полосы звуковых частот.

Несмотря на то что в процессе дискретизации изменения сигнала в промежутке между выборками не имеют значения, никакой потери информации не происходит. Это видно на примере преобразований

Ж

-Ы о *1з6

illlilljlllll

Чд f

Ж yf Ж

-fsS О *hl л'зб f

Рис. 1.1. Процесс выборки сигнала во временной и частотной областях:

а, 6, в - сигналы входной, выборки, дискретизированный сигнал и их спектры

аналогового сигнала х {t) и его спектра X (/) (рис. 1.1). Предположим сигнал X (f) имеет спектр X (/), ограниченный частотами + /з.в и-/з.в, а сигнал дискретизации s(f), представляющий собой последовательность импульсов с периодом следования Гд = 1 , имеет спектр 5д (/). Процесс дискретизации эквивалентен перемножению X {t) и Sf,{f), так как сигнал дискретизации лишь сохраняет информацию об X (t) в течение времени 7д до следующей выборки. В частотной области это соответствует свертке спектров X (f) и 5д (/). Спектр дискретизированного сигнала повторяет по форме спектр исходного сигнала, но содержит точно такие же составляющие на частотах, кратных частоте дискретизации. Так как эти составляющие не перекрываются друг с другом, то низкочастотной фильтрацией можно выделить спектральные составляющие, соответствующие исходному сигналу и таким образом полностью его восстановить. Если спектральные составляющие повторяющихся спектров перекрываются, т. е. /д - /з.в < /з в, восстановить исходный сигнал невозможно.

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

			а

moo)

г,5-о

-5 -7,5-

Л

(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 Л'а = 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.

ц

St \

			п

Рис. 1.4. Механизм возни'шовения 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

при

А

1>о,

называемая Л-законом.

Здесь [1 = 100 и А =87,7 - коэффициенты сжатия; х, у - входные и выходные значения сигнала при компрессии: sgn (х) - полярность X.

Чем больше коэффициенты сжатия, тем больше разница между максимальным и минимальным шагом квантования. Увеличение коэффициента сжатия улучшает отношение сигнал/шум для слабых сигналов и ухудшает для сильных.

Отношение средней мощности сигнала 5 к средней мощности шума квантования определяется как

= л;эфф/

/( 2 С Р

\ п

где Хзфф - эффективное значение сигнала на единичном сопротивлении; X - число уровней квантования; г/ {х) - стандартизированный закон компрессии; р {х) - вероятность мгновенных значений сигнала, зависящая от

ч

0) e/s

т

0/7,

(1/7)

(01 о

			---

X 512

его структуры.

Можно использовать это выражение для вычисления отношения 10 log (S/Nf,) как

liL L

6Ш16 8

61, m

0(0/

Рис. 1.6. Характеристики мгновенного ком-пандирования при 13- (/) и I!-сегментном (2) кодировании:

X, у - соответственно входной н выходной уровни

-80 -ВО -♦(? -го о s,SB

Рис. 1.7, Зависимость уровня отношения сигпал/шум квантования ог пикового уровня синусоидального сигнала частотой 1 кГц для разных типов компандирования:

1,2- 13- и 11-сегментное ко-днрованне

функции эффективного значения сигнала Хзфф, когда р (х) и у {х} известны.

Мгновенное компандирование. Эта операция позволяет уменьшить число бит на выборку п в источнике кода. Характеристика компандирования, соответствующая используемому в настоящее время в телефонии 13-сегментному кодированию, показана на рис. 1.6. При 13-сегментном кодировании можно уменьшить число бит на выборку с 14 до 10. Влияние такой характеристики на отношение S/N показано графически на рис. 1.7. На низких уровнях оно не отличается от значений при 14-битном кодировании, на высоких уровнях отношение 10 iog (S/Ng) становится постоянны.м, приближаясь к 50 дБ. Кривая / на рис. 1.7 вычислена для синусоидального сигнала, однако указанный способ 13-сегментного кодирования требует введения предыскажений при передаче сигнала и последующей коррекции при его восстановлении. Только в этом случае сигналы, прошедшие через кодер и декодер, удовлетворяют самым вы-

соким требованиям. Однако при каскадном включении нескольких кодеков (из-за некоторого увеличения задержки) качество ухудшается. Поэтому кривая / была модифицирована таким образом, чтобы получить удвоение числа уровней в крайних сегментах. Это дает 11-сегментную характеристику, показанную на рис. 1.6, где соот ветствующие нормализованные значения даны в скобках. Благодаря такой модификации отношение S/Ng было улучшено на 6 дБ для высоких уровней сигнала. Такой компандер также требует использования предыскажений при передаче сигнала.

3. ВЛИЯНИЕ ОШИБОК НА КАЧЕСТВО СИГНАЛА

Происхождение и измерение ошибок данных. При аналоговой передаче информации уровень шума увеличивается по мере прохождения сигналом пути в канале (и тем больше, чем длиннее этот путь), существенно снижая отношение сигнал/шум. При цифровой передаче используются дискретные значения параметров сигналов. В простейшем случае это два сигнала (О и 1),

Информация CiemJH

Тент -ЦмЩ-

Каиап передачи

amoiij- -h тем-

г,тор

ник Ь псдп

i 8 12 20LosUslU.4

Рис. 1.8. График зависимости средней частоты ошибок от отношения сигнал/шум

Синхросигнал Цифровой интерфейс

Еиихротенап ЦцфроЯой

OUIUSOH

Ahb/iu-ошибок

интерфейс

Рис. 1.9. Структурная схема системы для измерения частоты ошибок посредством передачи псевдослучайной двоичноч последовательности

получаемые после аналого-цифрового преобразования. На выходе канала передачи эти символы можно полностью восстановить, если флуктуации фронтов импульсов не превышают допустимых пределов, а их амплитуды не меньше определенного уровня. Если эти условия не выполняются, то двоичная 1 может быть воспринята как двоичный О и наоборот. Средняя частота ошибок

- Число искаженных бит

Число переданных бит

График зависимости средней частоты ошибок от отношения сиг-нал/шум (для случая белого шума) (ркс. 1.8) описывается формулой [67J

-erf ([/з/Л')],

= -[1

где Us, Un - среднеквадратичные значения напряжений цифрового сигнала и шума соответственно.

При искажениях сигнала типа 1 <-> О ошибки распределяются во времени случайно, что характерно, например, для систем спутни-

1.1. Представление аналогового сигнала двоичными числами

		Двоичное значение
+и		1 1
-г-О		0 0...0 0
		0 0...0 0
-и		1 1...1 1

ковой связи. Для электромагнитных полей, которые обладают свойством затухания, характерно импульсное распределение ошибок (группирование ошибок) во времени. Групповые ошибки происходят, например, в магнитной записи.

Для получения представления о качестве цифровой системы передачи необходимо ее исследовать в присутствии ошибок. Ошибки можно измерить с помощью системы, изображенной на рис. 1.9. I Задающий генератор вырабатывает псевдослучайную двоичную последовательность (ПСДП), которая через цифровой интерфейс поступает на модулятор. В модуляторе ПСДП преобразуется в сигнал,

характеристики которого согласованы с передаточной характеристикой канала. В демодуляторе сигнал восстанавливается, а его искажения являются результатом битовых ошибок. С демодулятора через выходной интерфейс на приемник передаются ПСДП и синхросигнал. Переданный сигнал, в котором могут быть и ошибки, сравнивается побитно с таким же неискаженным сигналом, формируемым на приемном конце.

Эффекты, вызываемые битовыми ошибками. Каждая квантованная выборка представляется словом, состоящим из п бит. Обычно для кодирования аналоговых сигналов, представляющих собой переменные напряжения, используют симметричный двоичный код (табл. 1.1). В этой таблице веса бит уменьшаются слева направо. При линейном квантовании веса последовательных бит уменьшаются вдвое, поэтому изменение наименьшего значащего бита дает при декодировании наименьшую амплитудную ошибку и наоборот. Искажение знака приводит к инверсии амплитуды декодированного сигнала, поэтому результирующая амплитудная ошибка зависит от двоичного значения выборки: она изменяется от О (пауза) до 100 % (максимальный уровень входного звукового сигнала) динамического диапазона (рис. 1.10). С уменьшением веса бита ошибка снижается на величину 6 дБ на каждый бит. Искажение знака приводит к ошибке, значение которой зависит от кодированной выборки. В паузах ошибка в знаке не влияет на результат, что является главным нреимущ-еством этого вида кодирования.

Для систем, использующих мгновенное компандирование, максимальная ошибка меньше, чем в случае линейного кодирования.

Типичный сигнал на выходе ЦАП изображен на рис. 1.11. Если слово в коде искажено, то на выходе ЦАП появляется ложный импульс длительностью, равной периоду выборки Гд = 1/7д. Спектральные плотности амплитуд (/) и (f) (рис. 1.12) для двух рзз1:ых ложных нгчпульсов Ll и б'з как функции частоты / описы-Бле гея соотношением

(/) =

и sin (я /о) /д я д

Ложные импульсы ощупаются как щелчки переменной интенсивности. Ими можно пренебречь в телефонии, но в высококачественных системах передачи они должны быть устранены. Процесс исправления ошибок данного типа включает в себя два взаимосвязанных этана: обнаружения и коррекции. Оба эти этапа базируются на использовании

h,6B

о

-\г

i !

3 V 5 В 7 S S to li п,6ш

Рис. КЮ.Амплитуда ошибок, выраженная через общий динамический диапазон ЦАП, как функция веса искаженных бит для линейного 14-битового кодирования

л

				н
			инг

о irn-z im-i tm tmi turn

Рис. 1.11. Маскирование ошибок при цифроаналоговом преобразовании:

J, 2 - соответственно выборки, откорректированные посредством экстраполяции нулевого порядка н интерполяции первого порядка

избыточных СИМВОЛОВ, добавляемых в инфор-мационные блоки. При этом для выполнения этапа обнаружения ошибки достаточно точно найти тот блок, где она присутствует, без определения места ошибки внутри блока. Для коррекции ошибки необходимо точно определить позицию ошибочного бита внутри блока и исправить его.

и

V, иг

Рис. 1.12. Спектральные плотности ложных импульсов

Если в каждом слове имеется не более одной ошибки, а средняя вероятность их появления не превышает 10 °, используют простейшие корректоры. К каждому слову или блоку в одном или нескольких каналах добавляют, например, бит четности. Далее в приемнике осуществляется контроль слов или блоков на четность. При этом обычно применяют технику маскирования имеющихся ошибок (см. рис. 1.П). Значение ошибочной выборки заменяют на оценочное значение А'п, которое по возможности близко к истинному. Возможны два метода, схематически показанные на рис. 1.11:

1 2 3 4 ... 16