|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы 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), П=-оо 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 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 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 |