Современные методы позиционирования и сжатия звука

Современные методы позиционирования и сжатия звука

| |

|Министерство общего и профессионального образования |

|Российской Федерации |

| |

|Южно-Уральский Государственный Университет |

| |

|Кафедра ЦРТС |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

|Пояснительная записка к курсовой работе |

|по курсу «Основы автоматизации проектирования радиоэлектронных устройств» |

|на тему «Современные звуковые карты. Методы позиционирования и сжатия звука.» |

| |

|ЮУРГУ-К. 200706000 ПЗ |

| |

| |

| |

| |

| |

|Нормоконтролер Руководитель |

| |

|«___» __________ 2000 г. «___» __________ 2000 г. |

|Авторы работы |

|студент группы - |

| |

| |

|«___» __________ 2000 г. |

|Работа защищена |

|с оценкой |

|________________ |

|«___» __________ 2000 г. |

| |

| |

| |

| |

| |

| |

|Челябинск |

|2000 |

| |

|Аннотация |

| |

| |

|В данной курсовой работе изучаются различные аспекты применения звуковых карт. |

|Рассматриваются способы получения звука на компьютере, основные принципы |

|формирования и отличия цифрового звука от аналоговово. Рассмотрен также стандарт|

|MIDI, применяемый во многих профессиональных звуковых синтезаторах и т.п. Далее |

|были подробно рассмотрены звуковые карты, имеющиеся сейчас на рынке (некоторые |

|карты, которые были доступны в процессе создания курсовой были протестированны |

|на реальных приложениях): как и новые, так и уже более распространенные. Т.к. |

|многие звуковые карты сейчас поддерживают различные технологии позиционирования |

|звука в пространстве, то был кратко рассмотрен вопрос теории восприятия звука |

|человеческим ухом и накладываемые этим ограничения. Завершающим этапом стало |

|изучение форматов, применяемых для хранения оцифрованного звука. Изучены были |

|как форматы со сжатием без потерь, так и со сжатием с потерями (mp3 и ему |

|подобные), основанные на особенностях человеческого слуха по восприятию |

|различных частот. В работе использовалась информация из различных источников: |

|сопроводительной документации к картам, сайтов фирм-производителей, независимых |

|тестовых лабораторий, публикации из периодических изданий. Для подготовки данной|

|пояснительной записки использовался текстовый процессор Microsoft Word из |

|состава пакета Microsoft Office 97/2000, браузер Netscape Navigator 6.0. В |

|качестве платформы для субъективной оценки качества звука изспользовалась |

|следующая система: |

|Intel Celeron 500Mhz |

|MB FIC CP11Z |

|HDD Fujitsu 8,4GB |

|CD-ROM Samsung 24X |

|Звуковая подсистема: |

|звуковая плата A-trend Harmony 3DS724A на базе чипа Yamaha-724E |

|усилитель Вега У-120-СТЕРЕО |

|колонки Радиотехника С-90Д (трех полосные с фазоинвертором) |

| | | | | | |

| | | | | |ЮУРГУ-К. 200706000 ПЗ |

| | | | | | |

|Из|Лис|№ докум. |Подп.|Дат| |

|м |т | | |а | |

|Разраб|Гусев | | |Современные звуковые карты. |Лит. |Лист |Листов |

|. |А.А./Кото| | |Методы позиционирования и | | | |

| |в В.В. | | |сжатия звука | | | |

|Пров. |Прокопов | | | |К |2 |1471 |

| |И.И. | | | | | | |

| | | | | |ЮУрГУ |

| | | | | |Кафедра ЦРТС |

|Н. |Прокопов | | | | |

|Контр.|И.И. | | | | |

|Утв. |Прокопов | | | | |

| |И.И. | | | | |

Содержание

Введение

Цифровое представление звуковых сигналов

- Отличия цифрового представления сигналов от аналогового

- Способы представления звука в цифровом виде

- АЦП и ЦАП

- Устройство АЦП и ЦАП

- Передискретизация

- Достоинства и недостатки цифрового звука

- Интерфейсы, используемые для передачи цифрового звука

- Обработка цифрового звука

- Методы, используемые для обработки цифрового звука

- Звуковые эффекты

- К вопросу о хранение и передаче цифрового звука

- К вопросу о сохранении качества сигнала при цифровой обработке

- К вопросу о сохранении качества сигнала при цифровом преобразовании

форматов

- Компьютерные программы, используемые для обработки звука

- Джиттер

Спецификация стандарта MIDI, его реализация на компьютере

- MIDI (цифровой интерфейс музыкальных инструментов)

- Аппаратная спецификация MIDI

- Програмная спецификация MIDI

- Методы, используемые для синтеза звука

- Подстандарты GM, GS, XG

- MPU-401 и MT-32

- Эффекты Reverb и Chorus

- Эффеуты Polyphony и Multi-timbral

- MIDI-клавиатура

Звуковые карты

- Способы получения звука на IBM PC

- Компоненты звуковой карты

- Эффект-процессор

- Характеристики звуковой карты

- Параметры некоторых поделей звуковых карт

- Сравнение Creative Labs Sound Blaster Live! и Diamond Monster MX300 (на

Aureal Vortex2)

- Некторые аспекты качественного воспроизведения цифрового звука

- Наводки от аппаратуры компьютера на карту

- Цифровая рабочая станция

Обзор современных технологий позиционирования звука в пространстве

- в видении компании Sensaura

- в видении компании Aureal

- в видении компании EAR

- в видении компании Creative

- в видении компании QSound

Обзор применяемых форматов хранения цифровых аудиоданных без и с потерей

качества

- Методы, используемые для эффективного сжатия цифрового звука

- Форматы, используемые для представления цифрового звука

- Форматы, используемые для представления звука и музыки

- MPEG: общая информация

- Звук в MPEG

- Что такое MP3?

- Описание процесса кодирования

- Декодирование MP3

- Самые известные плееры

- Dolby Digital – общая информация

- TvinVQ – VQF

MP3 – время прощаться с ПК

Заключение

Список используемых материалов

Введение

Компьютер – от английского “compute” – вычислять. Т.е., говоря по-

русски, – всего-навсего вычислитель. И когда-то, давным-давно, это

соответствовало применению компьютеров. Их использовали англичане для

взлома кодов и шифров радиопередач Германии во время ВМВ. Их применяют и

для прямо противоположной функции – кодирования и шифрования передаваемой

информации. Они применялись для расчета сложнейших траекторий полета первых

(да и последних) искусственных спутников Земли и других планет. И

существует еще большое число ветвей и отраслей науки и промышленности, в

которых невозможно обойтись без вычислительных мощностей компьютеров.

Однако, изначально Электронно Вычислительную Машину всегда пытались

использовать не только по прямому назначению, но и чуточку по другому.

Вначале простые крестики-нолики и морской бой. Потом, когда у машины

появился дисплей, ее научили рисовать различные «картинки» из символов.

Дальше, до движущихся по экрану различных фигурок, оставалось совсем

немного. Сейчас уже игры без графики мало кому нужны, кроме фэнов. Но…

Присмотримся к этому процессу чуть внимательней: «символы->картинки из

значков->статичные картинки->полномасштабное видео». Компьютеры становились

меньше, надежнее, долговечнее, быстрее…

Как видим, путь проделан немалый, и все-таки - это эволюция,

растянувшаяся на полвека. Масштабное же событие, произошедшее около 10 лет

назад назвать другим словом, как революция, вряд ли можно. На персональный

компьютер пришел звук. Отголоски этого события продолжают сотрясать

комьютерный мир до сих пор. Звук позволил сделать компьютер из

принадлежности редкого бизнесмена в суровую необходимость для каждого. Он

совершил фурор в индустрии производства музыкальной аппаратуры и

звукозаписи. Раньше требовалось иметь проигрыватель виниловых дисков,

компакт-кассет, компакт-дисков и прочую технику. Теперь достаточно одного –

компьютера. Он уже играет, поет и даже обновленную версию рецепта

клубничного пирога с джемом может из интернета скачать и переслать СВСВЧП

(Сверх Интеллектуально Сверх Высокочастотной Печке). Только вот кофе пока

не варит. Но и это, я думаю, скоро кто-нибудь исправит.

Компьютер потеснил такие традиционные истоники дохода и развлечений как

казино, кино, театр. Осталось только научить компьютер работать и делать

уборку в квартире, и все… Он действительно будет «везде», и человек не

сможет без него обходиться. А вот компьютер без человека?

И все лишь из-за чего? Из-за маленькой платки с несколькими копеечными

радиодеталями, кошмарными шумами и огромными амбициями. Sound Blaster так

сказать, версии 1.0. Производства фирмы Creative Labs из далекого

Сингапура. Не она первой выпустила звуковую карту, но она смогла

популяризовать эту идею в массах. Создать имя и завоевать рынок.

Словосочетание «Sound Blaster» стало синонимом «звуковой карты». И теперь

компьютер без «звука» – это не компьютер. Как же так! Ведь он сможет

проиграть при входе в «Windows» бравурное «Та-да!!!» И все – комьютер

становится бесполезной грудой никому не нужного хлама.

Мне кажется, что все вышеприведенное должно немного заинтересовать.

Ведь именно появление звука стало первым камнем в той лавине, которая

обрушивается сейчас на головы несчастных потребителей услуг и товаров из

сферы высоких технологий. «Полная 3Д акселерация» кричат одни, «Потрясающее

качество воспроизведения ДВД» заявляют третьи, «Только у нас – самый

настоящий трехмерный звук» похваляются третьи. И так – до бесконечности.

Вот почему я выбрал в качестве темы для курсовой это направление. Оно

весьма обширно и полно обхватить его не позволяет ни скромный объем

пояснительной записки, ни требуемое время. Поэтому я постарался ответить на

поставленые вопросы, используя свой небольшой опыт в работе на «железном»

(аппаратном) обеспечении компьютеров.

Цифровое представление звуковых сигналов

Отличия цифрового представления сигналов от аналогового

Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии

(аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения)

представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре,

скорости и т.п.), а также подобии форм электрических сигналов в различных

точках усилительного или передающего тракта. Форма электрической кривой,

описывающей (также говорят - переносящей) исходный сигнал, максимально

приближена к форме кривой этого сигнала.

Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение формы

несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же

искажение формы и сигнала переносимого. В терминах теории информации,

количество информации в несущем сигнале в точности равно количеству

информации в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит

избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при

хранении, передаче и усилении.

Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них

избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на

несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его

амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1.

Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны: нижняя

представляет нулевые значения, верхняя - единичные, а промежуточная

является запрещенной - внутрь нее могут попадать только помехи. Таким

образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины амплитуды несущего

сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи значений 0 и 1.

Помехи с большей амплитудой также не оказывают влияния, если длительность

импульса помехи ощутимо меньше длительности информационного импульса, а на

входе приемника установлен фильтр импульсных помех.

Сформированный таким образом цифровой сигнал может переносить любую

полезную информацию, которая закодирована в виде последовательности битов -

нулей и единиц; частным случаем такой информации являются электрические и

звуковые сигналы. Здесь количество информации в несущем цифровом сигнале

значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что несущий сигнал

имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые искажения

формы кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется способность

приемника правильно различать нули и единицы, не влияют на достоверность

передаваемой этим сигналом информации. Однако в случае воздействия

значительных помех форма сигнала может искажаться настолько, что точная

передача переносимой информации становится невозможной - в ней появляются

ошибки, которые при простом способе кодирования приемник не сможет не

только исправить, но и обнаружить. Для еще большего повышения стойкости

цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое избыточное

кодирование двух типов: проверочные (EDC - Error Detection Code,

обнаруживающий ошибку код) и корректирующие (ECC - Error Correction Code,

исправляющий ошибку код) коды. Цифровое кодирование состоит в простом

добавлении к исходной информации дополнительных битов и/или преобразовании

исходной битовой цепочки в цепочку большей длины и другой структуры. EDC

позволяет просто обнаружить факт ошибки - искажение или выпадение полезной

либо появление ложной цифры, однако переносимая информация в этом случае

также искажается; ECC позволяет сразу же исправлять обнаруженные ошибки,

сохраняя переносимую информацию неизменной. Для удобства и надежности

передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры), каждый из которых

снабжается собственным набором этих кодов.

Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать и

исправлять ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и

искажения переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относительно

объема исходной информации в общем случае повышает обнаруживающую и

корректирующую способность этих кодов.

В качестве EDC популярен циклический избыточный код CRC (Cyclic

Redundancy Check), суть которого состоит в сложном перемешивании исходной

информации в блоке и формированию коротких двоичных слов, разряды которых

находятся в сильной перекрестной зависимости от каждого бита блока.

Изменение даже одного бита в блоке вызывает значительное изменение

вычисленного по нему CRC, и вероятность такого искажения битов, при котором

CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких (единицы процентов от

длины блока) словах CRC. В качестве ECC используются коды Хэмминга

(Hamming) и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые также включают в себя и

функции EDC.

Информационная избыточность несущего цифрового сигнала приводит к

значительному (на порядок и более) расширению полосы частот, требуемой для

его успешной передачи, по сравнению с передачей исходного сигнала в

аналоговой форме. Кроме собственно информационной избыточности, к

расширению полосы приводит необходимость сохранения достаточно крутых

фронтов цифровых импульсов.

Кроме целей помехозащиты, информация в цифровом сигнале может быть

подвергнута также линейному или канальному кодированию, задача которого -

оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот, постоянную

составляющую, минимальное и максимальное количество нулевых/единичных

импульсов в серии и т.п.) под характеристики реального канала передачи или

записи сигнала.

Полученный несущий сигнал, в свою очередь, также является обычным

электрическим сигналом, и к нему применимы любые операции с такими

сигналами - передача по кабелю, усиление, фильтрование, модуляция, запись

на магнитный, оптический или другой носитель и т.п. Единственным

ограничением является сохранение информационного содержимого - так, чтобы

при последующем анализе можно было однозначно выделить и декоди- ровать

переносимую информацию, а из нее - исходный сигнал.

Способы представления звука в цифровом виде

Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во

времени - представляется в цифровой форме с помощью "перекрестной

дискретизации" - по времени и по уровню.

Согласно теореме Котельникова, любой непрерывный процесс с ограниченным

спектром может быть полностью описан дискретной последовательностью его

мгновенных значений, следующих с частотой, как минимум вдвое превышающей

частоту наивысшей гармоники процесса; частота Fd выборки мгновенных

значений (отсчетов) называется частотой дискретизации.

Из теоремы следует, что сигнал с частотой Fa может быть успешно

дискретизирован по времени на частоте 2Fa только в том случае, если он

является чистой синусоидой, ибо любое отклонение от синусоидальной формы

приводит к выходу спектра за пределы частоты Fa. Таким образом, для

временнОй дискретизации произвольного звукового сигнала (обычно имеющего,

как известно, плавно спадающий спектр), необходим либо выбор частоты

дискретизации с запасом, либо принудительное ограничение спектра входного

сигнала ниже половины частоты дискретизации.

Одновременно с временнОй дискретизацией выполняется амплитудная -

измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых

величин с определенной точностью. Точность измерения (двоичная разрядность

N получаемого дискретного значения) определяет соотношение сигнал/шум и

динамический диапазон сигнала (теоретически это - взаимно-обратные

величины, однако любой реальный тракт имеет также и собственный уровень

шумов и помех).

Полученный поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий звуковой

сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code

Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени

сигнала представляется собственным цифровым кодом.

Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое значение

отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической природы

слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда

числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это

сопряжено с трудностями чисто технического характера.

ВременнАя дискретизация и амплитудное квантование сигнала неизбежно

вносят в сигнал шумовые искажения, уровень которых принято оценивать по

формуле 6N + 10lg (Fдискр/2Fмакс) + C (дБ), где константа C варьируется для

разных типов сигналов: для чистой синусоиды это 1.7 дБ, для звуковых

сигналов - от -15 до 2 дБ. Отсюда видно, что к снижению шумов в рабочей

полосе частот 0..Fмакс приводит не только увеличение разрядности отсчета,

но и повышение частоты дискретизации относительно 2Fмакс, поскольку шумы

квантования "размазываются" по всей полосе вплоть до частоты дискретизации,

а звуковая информация занимает только нижнюю часть этой полосы.

В большинстве современных цифровых звуковых систем используются

стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный диапазон

сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по

отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-

разрядное квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум

около 98 дБ. В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения -

18-, 20- и 24-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192

кГц. Это делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового

сигнала, которые непосредственно не воспринимаются слухом, но влияют на

формирование общей звуковой картины.

Для оцифровки более узкополосных и менее качественных сигналов частота

и разрядность дискретизации могут снижаться; например, в телефонных линиях

применяется 7- или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц.

Представление аналогового сигнала в цифровом виде называется также

импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM - Pulse Code Modulation), так как

сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (временнАя

дискретизация), амплитуда которых передается цифровым кодом (амплитудная

дискретизация). PCM-поток может быть как параллельным, когда все биты

каждого отсчета передаются одновременно по нескольким линиям с частотой

дискретизации, так и последовательным, когда биты передаются друг за другом

с более высокой частотой по одной линии.

Сам цифровой звук и относящиеся к нему вещи принято обозначать общим

термином Digital Audio; аналоговая и цифровая части звуковой системы

обозначаются терминами Analog Domain и Digital Domain.

АЦП и ЦАП

Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобразует

аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй выполняет обратное

преобразование. В англоязычной литературе применяются термины ADC и DAC, а

совмещенный преобразователь называют codec (coder-decoder).

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче

результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый

сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды

каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и

выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые

расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в

непрерывный аналоговый сигнал.

Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение

времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема

выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его

в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может

устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов

внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

При временнОй дискретизации спектр полученного импульсного сигнала в

своей нижней части 0..Fa повторяет спектр исходного сигнала, а выше

содержит ряд отражений (aliases, зеркальных спектров), которые расположены

вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник (боковые полосы). При этом

первое отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa располагается

непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления

аналогового фильтра (anti-alias filter) с высокой крутизной среза. В АЦП

этот фильтр устанавливается на входе, чтобы исключить перекрытие спектров и

их интерференцию, а в ЦАП - на выходе, чтобы подавить в выходном сигнале

надтональные помехи, внесенные временнОй дискретизацией.

Устройство АЦП и ЦАП

В основном применяется три конструкции АЦП: параллельные - входной

сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем

сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В

таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) - 1, где N -

разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного - 255), что не позволяет

наращивать разрядность свыше 10-12.

последовательного приближения - преобразователь при помощи

вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным.

Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления

(дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска

прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество

тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

с измерением временнЫх интервалов - широкая группа АЦП, использующая

для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в

пропорциональные временнЫе интервалы, длительность которых измеряется при

помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда называются также

считающими АЦП.

Среди АЦП с измерением временнЫх интервалов преобладают следующие три

типа: последовательного счета, или однократного интегрирования (single-

slope) - в каждом такте преобразования запускается генератор линейно

возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным.

Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП

последовательного приближения.

двойного интегрирования (dual-slope) - в каждом такте преобразования

входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник

опорного напряжения с измерением длительности разряда.

следящие - вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор

эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от

предыдущего значения до текущего.

Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является sigma-delta,

работающий на частоте Fs, значительно (в 64 и более раз) превышающей

частоту дискретизации Fd выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП

выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые - 0/1), сумма

которых на интервале дискретизации Fd пропорциональна величине отсчета.

Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации

и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается

серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации Fd.

Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния ошибок

квантования, которое в случае однобитового преобразователя получается

довольно высоким, применяется метод формовки шума (noise shaping) через

схемы обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате

применения этого метода форма спектра шума меняется так, что основная

шумовая энергия вытесняется в область выше половины частоты Fs,

незначительная часть остается в нижней половине, и практически весь шум

удаляется из полосы исходного аналогового сигнала.

ЦАП в основном строятся по трем принципам: взвешивающие - с

суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного

слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину

получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или

многоразрядными (multibit).

sigma-delta, с предварительной цифровой передискретизацией и выдачей

малоразрядных (обычно однобитовых) значений на схему формирования

эталонного заряда, которые со столь же высокой частотой добавляются к

выходному сигналу. Такие ЦАП носят также название bitstream.

с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM),

когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы

постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием

выдаваемого на выход заряда. На этом принципе работают преобразователи MASH

(Multi-stAge Noise Shaping - многостадийная формовка шума) фирмы

Matsushita. Свое название эти ЦАП получили по причине применения в них

нескольких последовательных формирователей шума.

При использовании передискретизации в десятки раз (обычно - 64x..512x)

становится возможным уменьшить разрядность ЦАП без ощутимой потери качества

сигнала; ЦАП с меньшим числом разрядов обладают также лучшей линейностью. В

пределе количество разрядов может сокращаться до одного.

Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой полезный сигнал,

обрамленный значительным количеством высокочастотного шума, который, тем не

менее, эффективно подавляется аналоговым фильтром даже среднего качества.

ЦАП являются "прямыми" устройствами, в которых преобразование

выполняется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве своем -

последовательные и более медленные устройства.

Передискретизация (oversampling)

Это дискретизация сигнала с частотой, превышающей основную частоту

дискретизации. Передискретизации может быть аналоговой, когда с повышенной

частотой делаются выборки исходного сигнала, или цифровой, когда между уже

существующими цифровыми отсчетами вставляются дополнительные, рассчитанные

путем интерполяции. Другой способ получения значений промежуточных отсчетов

состоит во вставке нулей, после чего вся последовательность подвергается

цифровой фильтрации. В АЦП используется аналоговая передискретизация, в ЦАП

- цифровая.

Передискретизация используется для упрощения конструкций АЦП и ЦАП. По

условиям задачи на входе АЦП и выходе ЦАП должен быть установлен аналоговый

фильтр с АЧХ, линейной в рабочем диапазоне и круто спадающей за его

пределами. Реализация такого аналогового фильтра весьма сложна; в то же

время при повышении частоты дискретизации вносимые ею отражения спектра

пропорционально отодвигаются от основного сигнала, и аналоговый фильтр

может иметь гораздо меньшую крутизну среза.

Другое преимущество передискретизации состоит в том, что ошибки

амплитудного квантования (шум дробления), распределенные по всему спектру

квантуемого сигнала, при повышении частоты дискретизации распределяются по

более широкой полосе частот, так что на долю основного звукового сигнала

приходится меньшее количество шума. Каждое удвоение частоты снижает уровень

шума квантования на 3 дБ; поскольку один двоичный разряд эквивалентен 6 дБ

шума, каждое учетверение частоты позволяет уменьшить разрядность

преобразователя на единицу.

Передискретизация вместе с увеличением разрядности отсчета,

интерполяцией отсчетов с повышенной точностью и выводом их на ЦАП

надлежащей разрядности позволяет несколько улучшить качество восстановления

звукового сигнала. По этой причине даже в 16-разрядных системах нередко

применяются 18- и 20-разрядные ЦАП с передискретизацией.

АЦП и ЦАП с передискретизацией за счет значительного уменьшения времени

преобразования могут обходиться без схемы выборки-хранения.

Достоинства и недостатки цифрового звука

Цифровое представление звука ценно прежде всего возможностью

бесконечного хранения и тиражирования без потери качества, однако

преобразование из аналоговой формы в цифровую и обратно все же неизбежно

приводит к частичной его потере. Наиболее неприятные на слух искажения,

вносимые на этапе оцифровки - гранулярный шум, возникающий при квантовании

сигнала по уровню из-за округления амплитуды до ближайшего дискретного

значения. В отличие от простого широкополосного шума, вносимого ошибками

квантования, гранулярный шум представляет собой гармонические искажения

сигнала, наиболее заметные в верхней части спектра.

Мощность гранулярного шума обратно пропорциональна количеству ступеней

квантования, однако из-за логарифмической характеристики слуха при линейном

квантовании (постоянная величина ступени) на тихие звуки приходится меньше

ступеней квантования, чем на громкие, и в результате основная плотность

нелинейных искажений приходится на область тихих звуков. Это приводит к

ограничению динамического диапазона, который в идеале (без учета

гармонических искажений) был бы равен соотношению сигнал/шум, однако

необходимость ограничения этих искажений снижает динамический диапазон для

16-разрядного кодирования до 50-60 дБ.

Положение могло бы спасти логарифмическое квантование, однако его

реализация в реальном времени весьма сложна и дорога.

Искажения, вносимые гранулярным шумом, можно уменьшить путем добавления

к сигналу обычного белого шума (случайного или псевдослучайного сигнала),

амплитудой в половину младшего значащего разряда; такая операция называется

сглаживанием (dithering). Это приводит к незначительному увеличению уровня

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14