Главная » Мануалы

1 2 3 4 ... 22

лазерная звукозапись

Звуковой сигнал, кроме содержания информации, характеризуется разнообразием оттенков и интонаций голоса, неповторимым, больше ничем не создаваемым, богатством музыки. Но он не вечен. Его необходимо записать в тот момент, когда он создан, в том месте, где создан, и таким, каким он создан. Запись, передача и воссоздание первичного звукового сигнала (ЗС) без искажений - задача перспективной техники записи, передачи и воспроизведения звука.

Начало создания систем записи и воспроизведения ЗС относится к 1877 г., когда Т. Эдисон осуществил его запись да фонограф. Началась эра хранения ЗС и воспроизведения его вне сферы существования оригинального источника. Через 10 лет Э. Бер-лингер создал граммофон. Он записал ЗС да восковом покрытии цинковой пластинки и вытравил звуковую канавку кислотой. Так была получена пластинка, способная к повторному воспроизведению. Диск-оригинал являлся единственным диском, который поступал к слушателю. В начале XIX века использовали электролиз для получения из восковых пластинок диска-оригинала (мастер-диска), с помощью которого методом прессования создавались оттиски (грампластинки). Для воспроизведения звука в то время использовался акустический звукосниматель, передававший механические колебания иглы от пластинки непосредственно к мембране, а колебания воздуха, обусловленные ее колебаниями, передавались иа акустический рупор для усиления и излучения ЗС. Энергетика механического воспроизведения не позволяла даже с помощью большого рупора воспроизвести ЗС при удовлетворительной мощности звучания.

Следующим шагом в технологии техники звукозаписи следует считать метод преобразования звукового механического непрерывного сигнала в электрический непрерывный (аналоговый). Фонографы, основанные на электрическом методе записи ЗС, появились в США в 1925 г. Они цозволили значительно расширить частотный диапазон и улучшить качество записанного ЗС. Создание ламповой, а затем и полупроводниковой техники обеспечило более качественную запись и затем передачу - усиление-воспроизведение ЗС.

Совершенствование микрофонов, усилительной и акустической техники позволило в 1934 г. на пластинках с частотой вращения 78 об./мин и временем записи 4,5 мин на диске диаметром 30 см записать ЗС в диапазоне частот 30... 8000 Гц. В 1948 г. появи-



лись пластинки с микроканавками и соответственно с более качественной и длительной записью ЗС. Улучшение технологии производства пластинок с микроканавками с частотой враш,ения 33,3 об./мин привело к созданию долгоиграющей пластинки со временем звучания до 15 ... 20 мин, к снижению уровня шума и искажений при расширении диапазона воспроизводимых частот до 30 ... 15 000 Гц.

В 1957 Г. на мировом рынке появились стереопластинки грамзаписи, в которых решалась проблема записи двух каналов ЗС на одной модулированной дорожке. Началась эра Hi~Fi (High - Fidelity) - высокой верности воспроизведения первичного ЗС аппаратурой потребителя. Постоянное совершенствование материалов и технологии записи - тиражирования наряду с совершенствованием звукоусилительной акустической аппаратуры привело к достижению практического предела технической реализации аналоговой звукозаписи. Высокая стоимость техники воспроизведения и усиления ЗС, ограниченное число (до 3... 5 раз) проигрываний одной пластинки, когда сохраняется исходное высокое качество звука, предельность таких параметров, как отношение сигнал-шум, разделение стереоканалов, динамический диапазон, ограниченное время хранения и воспроизведения пластинок и магнитных лент, не могли далее улучшаться без принятия технических решений принципиально нового типа.

В радиовещании, телефонии и телевидении при передаче аналогового ЗС на большие расстояния с трудом решались проблемы борьбы с затуханием, помехами, взаимным влиянием каналов, неэффективным использованием дорогостоящих линий подачи ЗС и т. д. В радиовещании только диапазон УКВ, хотя и обладал малым радиусом действия, в определенной степени удовлетворял потребителя качеством ЗС. По этой причине за рубежом он стал основным типом радиовещания, вытеснив остальные диапазоны в разряд информативных. Однако качество и помехозащищенность УКВ-передач не могли конкурировать с магнитной лентой и грампластинкой.

В начале XIX века приведены первые передачи на расстояние ЗС в кодированном виде - прообраз цифровой передачи звука. Азбука Морзе предполагала комбинацию точка - тире как выражение не только букв, но и отдельных слов.

Изобретение радио позволило осуществить первую цифровую радиопередачу звукового сообщения в виде азбуки Морзе пачками электрических импульсов. При этом ЗС кодировался человеком как кодером и расшифровывался им же как декодером, что не снижало важности события.

Переход на цифровую форму представления ЗС и дальнейшая его обработка, аналогичная обработке любого представления величин в цифровой форме на ЭВМ, открыли новую эру в технике звукозаписи, передачи, хранения и воспроизведения ЗС. Для звукотехники этот переход по своей значимости не уступа-6



ет значению появления реактивной техники в самолетостроении. Особенность цифровой формы ЗС в том, что она не только позволяет передавать последовательность импульсов, заменяющую аналоговый сигнал, но и дополнять ее другими импульсами, защищающими полезный сигнал от помех и пропаданий, а также обрабатывать его в любой данный момент или за цромежуток времени по заданной программе.

Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была предложена в 1939 г. для использования в телефонии. Цифровой звук при применении ИКМ имеет низкий уровень шума, хорошую помехозащищенность, равномерную частотную характеристику, слабые искажения и возможность сжатия - расширения по временной оси с целью уплотнения каналов связи.

В 1977 г. в Японии был продемонстрирован первый цифровой звуковой магнитофон, использовавший ИКМ при записи ЗС с частотой дискретизации 31,5 кГц, числом уровней квантования 13 (нелинейный код), диапазоном воспроизводимых частот до 15кГц и динамическим диапазоном до 80 дБ. Качество звучания магнитофона было на уровне аналоговых пластинок. Переход на цифровую форму ЗС не привлек бы особого внимания потребителей, если бы непосредственно за выпуском цифровых магнитофонов не последовал выпуск цифровых процессоров звука (ИКМ-про-цессоров). Потребитель получил возможность обрабатывать цифровой сигнал и получать такие эффекты звука, которые были немыслимы при аналоговой форме ЗС. Принятие в 1979 г. электрон, ной промышленной ассоциацией Японии (EJAJ) стандарта на ИКМ-процессоры бытового назначения способствовало их широкому распространению на рынке сбыта. Первые ИКМ-диски появились в 1977 г. и имели различные форматы, включая лазерный, механический и емкостный. Так, первый компакт-диск диаметром 11,5 см и звуковой программой продолжительностью один час (прообраз существующего компакт-диска) продемонстрирован в 1978 г. фирмой Филлипс (Philips). Тогда же появились ми-никомпакт-диски, предложенные фирмами Телефункен и Телдек (Telefunken, Teldec), а также компакт-диск с большой плотностью записи (AND), предложенный фирмой Виктор компании (Victor Company). С целью выбора единого формата на конференции по цифровой звукозаписи на диск в 1981 г. в качестве возможных форматов остановились на трех: компакт-диск, ми-никомпакт-диск и AND-диск. В 1987 г. решением Международной электротехнической комиссии принят стандарт [1] на цифровую звуковую систему компакт-диск, положивший начало широкому распространению компакт-дисков и проигрывателей на зарубежном рынке. В СССР экспериментальные лазерная установка записи, цифровой диск и лазерный проигрыватель были созданы в 1980 г. коллективом разработчиков ВНИИ радиовещательного приема и акустики им. А. С. Попова.

Внедрение цифровых методов в систему передачи ЗС произошло дначале в фидерной и магистральной связи, а затем в систе-



ме непосредственного спутникового вещания с использованием телевизионного канала на частотах диапазона 12 ГГц. Запуск спутника TV-SAT в 1986 г. позволил на территории стран Западной Европы производить с помощью направленных стационарных антенн прием 16 стереофонических радиопрограмм высшего качества [2]. Однако отсутствие приема на мобильных приемниках и в условиях, сопоставимых с обычным УКВ-приемом, не позволяет говорить о широкомасштабном внедрении спутникового многопрограммного высококачественного радиовещания.

Проблема создания системы цифрового радиовещания, позволяющего не только не снижать качество стереоприема на мобильных приемниках, но и резко увеличивать число программ в полосе частот 4 МГц и решать проблему расширения площадей уверенного приема, имеет различные технические решения, которые в конечном итоге должны быть сведены к единому стандарту цифрового радиовещания и, возможно, к единой сети. В СССР работы по цифровому радиовещанию (ЦРВ) проводились во ВНИИ радиовещательного приема и акустики им. А. С. Попова при участии ЛЭТИ им. Бонч-Бруевича и других организаций. Система наземного цифрового радиовещания (ЦРВ) [3, 4, 5] впервые демонстрировалась в 1983 г. на выставке Телеком-83 в Женеве. Результаты работы зарубежных фирм были впервые продемонстрированы в Женеве в 1988 г., когда Европейский союз радиовещания (EBU) представил систему ЦРВ, работающую в диапазоне 0,5 ...2 ГГц, для реализации проекта Эврика-147 [6,7].

Полученные результаты исследований, а также возможности спутников с большой массой, выводимых на стационарную орбиту с помощью ракет типа Энергия , делают реальным создание системы непосредственного спутнико-наземного цифрового радиовещания. Создание подобной системы для одной или нескольких стран означает реализацию стереоприема 16 и более программ с сервисной информацией на стационарные и мобильные приемники с достаточно простыми антеннами типа штырь или щелевые . При этом уверенный прием обеспечивается не только в городских, но и в обширных сельских местностях, где приема УКВ-вещания практически нет. Следует обратить особое внимание на возможность передачи сервисной информации (буквенно-графической, программной, обучающей и т. д.), которой, по мнению автора, принадлежит решающая доль в борьбе за рынок приемников цифрового радиовещания.

Качество звучания переданного или записанного ЗС оценивают не только ло измеряемым характеристикам. Являясь аналоговым по своему происхождению и восприятию, ЗС обладает характеристиками, которые не всегда могут быть измерены или зафиксированы. Как правило, параметры ЗС в электрических цепях усиления и передачи и параметры в акустических системах для одних и тех же измеряемых характеристик имеют разную весомость. Так, небольшое -сужение полосы частот в электрическом тракте действует на слушателя больше аналогичного изменения 8



частотной характеристики акустической системы. То же можно сказать о требованиях к формам частотных характеристик и коэффициентам искажений в электрической и акустической частях звукового тракта. Поэтому электрический тракт формируется о более повышенными требованиями, чем акустические преобразователи. В свою очередь, требования к акустическим преобразователям предъявляют не только со стороны измеряемых характеристик ЗС, но и со стороны качества звучания, которое пока четко не определено численным выражением каких-либо параметров или их совокупности и оценивается только при экспертизе звучания.

К, основным электрическим характеристикам ЗС относятся: частотный диапазон, переходные затухания между каналами, динамический диапазон, нелинейные искажения, соотношение сигнал-шум, а также вспомогательные обязательные характеристи-ки, такие как срок хранения, число возможных повторений без потери качества ЗС, оперативность доступа, влияние посторонних факторов, возможность комбинирования ЗС с дополнительной сервисной информацией.

При прослушивании цифровых и аналоговых записей сопоставимость их друг с другом наступает на рубеже 14-разрядного квантования, а на уровне 16-разрядного исчезают последние сомнения в преимуществе цифрового представления. В некоторых источниках отмечается неоднозначность технических параметров при аналоговой записи и при цифровой [8]. Тем не менее все авторы единодушны в оценке преимущества качества звучания цифровой фонограммы при 16-разрядном кодировании перед аналоговой. Воспроизведение цифровой записи, при которой в паузах между фрагментами наступает полная тишина (нет привычного шума ленты или грампластинки), становится обязательным требованием. Некоторые особенности качества звучания, отмечаемые режиссерами, такие как жесткость , при 16-разрядном квантовании практически исчезают.

В части диапазона частот для компакт-дисков (20 Гц ... ... 20 кГц) с равномерной характеристикой цифровая запись имеет явное преимущество перед аналоговой на грампластинке с диапазоном 30 Гц... 15 кГц и неравномерностью ±(3... 4) дБ. Переходные затухания между каналами 90 дБ при цифровой записи значительно лучше, чем при аналоговой с затуханием 15 ...30 дБ. Показатели динамического диапазона ЗС в системах компакт-диск составляли 92 дБ, в то время как лучшие аналоговые записи не превышают 78 дБ. В отличие от аналоговой записи, где шум определяется в основном механическим воздействием, в цифровой записи шум (в том числе рокота и детонации) определяется уровнем квантования и выбирается за пределами слышимости. Коэффициент нелинейных искажений менее 0,03% для цифровой записи и 0,3% для аналоговой. Совершенно очевидно, что недостатки цифровой записи относятся к аппаратурным и по мере совершенствования технологии будут уменьшаться. Несо-



вершенство аналоговой записи кроется в ее методах, и потому совершенствование их приводит к большим затратам.

К неоспоримым преимуществам цифровой записи на компакт-диск служит надежность воспроизведения. Это относится не только к числу проигрываний диска без потери качества, но и к воздействию механических помех (пылинки, грязь, царапины). Надежным является воспроизведение компакт-диска при тряске и вибрациях, включая воспроизведение в движущемся автомобиле, что совершенно исключено для аналоговых проигрывателей. Вибрации не влияют на качество воспроизведения, а опасность акустической обратной связи полностью отсутствует. Диаметр компакт-диска 12 см, время проигрывания 1 ч, что на 15... 20% больше, чем две стороны аналоговой пластинки. Реализуемые в настоящее время методы сжатия ЗС позволяют увеличить время звучания до 3 ч, а возможность сочетания ЗС с деловой, сервисной, служебной и видеоинформацией ставит цифровую пластин, ку вне конкуренции с аналоговой.

Сервисные удобства, заложенные в формат сигнала, позволяют реализовать качественно новый вид услуг для потребителя. Время доступа к фрагментам по выбору потребителя значительно меньше аналогичного выбора в аналоговой пластинке. В цифровом проигрывателе конструктивные элементы не влияют на качество звука, в то время как в аналоговом конструкция диска, магнитной головки, тонарма, корпуса существенно влияют на качество ЗС при воспроизведении. Вместе с тем большой парк аналоговых проигрывателей и, что еще важнее, грампластинок, которые не могут быть перезаписаны на компакт-диск, создают условия для длительного времени сосуществования аналоговых и цифровых методов записи.

Для систем радиовещания при сохранении преимуществ качества ЗС, его помехозащищенности, высокого уровня сервисных удобств и стереоприема на мобильные приемники большое значение имеет возможность использования потребителем устройств, предназначенных для цифровых систем, особенно звуковых процессоров, проигрывателей с реверсивным диском и цифровых магнитофонов.

Учитывая неоспоримость перспективного внедрения цифровых методов представления и обработки ЗС, рассмотрим в общем виде проблемы, достаточно хорошо представленные в литературе, и остановимся более подробно на новых, знание которых необходимо для понимания работы систем и при разработке аппаратуры для их реализация.



ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЦИФРОВОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА

1.1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА В ЦИФРОВОЙ ФОРМЕ

Звуковой сигнал (ЗС) - сложный аналоговый сигнал, меняющийся во времени в зависимости от информативности каждого момента. Принятое ограничение, что полоса частот звукового сигнала лежит в диапазоне 20 Гц... 20 кГц, в достаточной мере справедливо. Составляющие более высоких частот хотя и не воспринимаются ухом человека, но, строго говоря, вносят свой энергетический вклад в звуковое восприятие слушателя.

Наиболее распространенным и имеющим широкую аппаратурную реализацию методом преобразования аналогового сигнала в цифровой является метод импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) и его модификации - дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ).

Переход от аналоговой формы звукового сигнала к форме сигнала в системе ИКМ производится двумя этапами. На этапе дискретизации аналоговая форма сигнала заменяется последовательностью отсчетов (выборок), следующих с заданной частотой Fb и амплитудой, равной амплитуде аналогового сигнала в месте замены его на отсчет.

Операция по замене аналогового сигнала на импульсный называется выборкой, частота следования импульсов Рв - частотой выборки (или дискретизации), а амплитуда импульса сигнала-величиной выборки.

Наглядно процесс выборки представлен на рис. 1.1. Как известно, амплитуда импульсно-модулированного сигнала, полученного модуляцией постоянного прямоугольного импульса переменным сигналом f(t),

y{t) = f{t)u{t).

Заменяя выражение постоянного прямоугольного импульсного сигнала выражением его составляющих, получаем

U{t)k 2 sin nk я cos {П СОц tink я),

где fe=T/r, ,сов = 2я/Г=2я/в.



Импульс после модуляции можно представить в виде

у (i) = f (О k S sin nk n cos (П ca t/nk я).

n=-oo

Учитывая, что т - длительность импульса много больше времени между импульсами и, следовательно, и sin nkn/nkn- получаем

y{f) = f{t)k ] cos (iit=kf(f} +2k 2 cosant.

-оо I I n-l

Часты I I

Часть I!

Анализ этого выражения показывает, что в форме импульсов, заменяющих аналоговую кривую, содержится форма аналоговой кривой, уменьшенной в k раз (выражение kf(t)), а также дополнительная информация, полностью зависящая от сов - частоты выборки. Следовательно, если Fb2Fc, где Fc - высшая частота сигнала, то сигнал (часть I формулы) будет лежать ниже по частоте сигнала (часть II формулы) (рис. 1.2). Следовательно, можно легко разделить сигналы, применив фильтры звуковых частот (ФЗЧ), с заданной частотой ограничения. На этом переход аналогового сигнала в серию соответствующих импульсов, имеющих длительность много меньше периода следования, следующих с заранее выбранной частотой выборки Fb, закончен. Для ЗС студийного качества применяют частоты выборки (дискретизации) 44,1 кГц в лазерных проигрывателях компакт-дисков и 48 кГц - в студиях и при записи на цифровой магнитофон. Для высококачественного звука применяют частоту выборки 32 кГц.

Требование к ФЗЧ по подавлению частот выше 0,5в является условием максимального повторения исходной формы сиг-

f(t)

f(t]-ucxodHbiu сигнал

Рис. 1.1 К пояснению перехода от аналогового сигнала к импульсно-мо-дулированному

UMcmst /

Рис. 1.2. Расположение составляющих импульсного сигнала

Часть I

Часть S




нала. Как правило, подавление частот выше должно быть

не меньше 80 дБ (обычно 90 ... 97 дБ).

Следующий этап квантования и кодирования состоит в определении амплитуды каждого импульса, выражении ее числом в двоичном счислении и представление полученного числа .в виде пачки импульсов, где 1 - наличие импульса, О - отсутствие его в месте, где он может быть. Квантованием сигнала называется деление амплитуды выборки на конечные амплитудные отрезки (ступени с конечной фиксированной или меняющейся величиной амплитуды). Кодирование -процесс выражения амплитуды выборки в каж,дый момент выборки в единицах квантования и представления его в виде, удобном для хранения или передачи информации об этой величине, т. е. в определенном коде.

Для проведения квантования можно либо измерять отдельно амплитуду выборки в каких-либо единицах и результат перево дить в двоичное число, либо проводить замену непрерывного множества составляющих аналогового непрерывного сигнала (отдельных участков сигнала) дискретными. Несовпадения точной амплитуды сигнала с замещающей определяют ошибки кодирования. Они тем меньше, чем меньшие отрезки времени используются для замещения непрерывного куска сигнала на конечные выборки. Промежуток времени, в течение которого амплитуда сигнала принимается постоянной величиной (а не меняющейся, как в действительности), называется временем или интервалом квантования. Разница в фиксированных амплитудах через интервал квантования называется порогом или шагом квантования, а амплитуда сигнала, соответствующая в определенный заданный момент конечному числу значений шагов квантования,- уровнем квантования. Чем меньше интервал квантования, тем меньше ошибка квантования, вызванная конечностью представления сигнала в момент квантования. Следовательно, если мгновенное значение выборки попадает в Аг, определяемый координатами Xi+i и Хг-1, то выборка представляется соответствующим уровнем квантования y = yi (рис. 1.3).

Следующим этапом является выражение амплитуды выборки через щаг квантования в виде, удобном не только для представления с целью введения в ЭВМ, но


Рис. 1.3. 4-битовое квантование исходного сигнала

нвамтодания 13



и для использования в радиотехнике, т. е. выражение его в двоичном коде. В этом коде максимальное значение числа в -разрядной системе квантования

N = 2 - 1

макс >

где rt -любое число в десятичной системе, принимаемое за число уровней квантования.

В звукотехнике за максимальный уровень квантования принимается значение, в 2 раза превышающее амплитуду шумов квантования, когда все искажения квантования лежат ниже порога чувствительности уха:

А = ±25ш,

где Вш - амплитуда шумов квантования, появляющаяся из-за разности установленной амплитуды выборки и ее истинного значения.

Определим динамический диапазон измерений амплитуд звуковых сигналов в зависимости от разрядности квантования.

Принимая, что сигнал меняется от г/с.о до г/с.макс, ступень квантования

А = (г/с.макс-Усо)/(Л'- !)

С учетом максимального значения А мощность шумов квантования

ш.макс = (2/А)Т xdx = AVl2. о

С другой стороны, если в данный момент максимальный входной синусоидальный аналоговый сигнал г/с .макс, ТО мощность сигнзла

с.макс = (1/2я) J (г/с.мако зШ Х/2) dx = г/с.макс/8.

О

откуда отношение максимально возможной мощности шумов квантования к максимальной мощности сигнала

с.макс/ш.макс 3 г/ ,/2 А^ = 3 (Л^ - 1) ?>-2п- .

Минимальный динамический диапазон, определяемый в децибелах, для децимальной системы

Z)= lOlgio (£с.макс/ш.макс)= lOlg 3-2 -l 6rt + 1,8.

Следует учесть, что принятое предположение об уровне шума квантования, постоянно равном половине уровня квантования, является завышенным, так как в среднем он ниже своего максимального значения. Следовательно, динамический диапазон при выборочном числе квантования несколько больше. Как показывают измерения для Н-разрядного квантования, когда теоретический предел динамического диапазона равен 85,8 дБ, в эксперименте он составляет 93... 98 дБ, а для 16-разрядного квантова-14



1 2 3 4 ... 22

Яндекс.Метрика