Как пишет Евгений Музыченко на http://www.music4sale.ru/id_157/
Чем цифровое представление сигналов отличается 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 раз-
личных точках усилительного или передающего тракта. Форма электричес-
кой 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 содер-
жит избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от ис-
кажений при хранении, передаче и усилении.
Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них
избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для это-
го на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения — его амплитуда может принимать только два предельных значения — 0 и
- Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны: ниж-
няя представляет нулевые значения, верхняя — единичные, а промежуточ-
ная является запрещенной — внутрь нее могут попадать только помехи.
Таким образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины ампли-
туды несущего сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи
значений 0 и 1. Помехи с большей амплитудой также не оказывают вли-
яния, если длительность импульса помехи ощутимо меньше длительности
информационного импульса, а на входе приемника установлен фильтр им-
пульсных 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 несу-
щем цифровом сигнале значительно больше, нежели в кодированном исход-
ном, так что несущий сигнал имеет определенную избыточность относи-
тельно 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 ин-
формации. 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 обна-
ружить.
Для еще большего повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и ис-
кажениям применяется цифровое избыточное кодирование двух типов: про-
верочные (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 ин-
формации 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 ошиб-
ки, сохраняя переносимую информацию неизменной. Для удобства и надеж-
ности передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры), каждый из
которых снабжается собственным набором этих кодов.
Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать и ис-
правлять ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и
искажения переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относи-
тельно объема исходной информации в общем случае повышает обнаружива-
ющую и корректирующую способность этих кодов.
В качестве EDC популярен циклический избыточный код CRC (Cyclic
Redundancy Check), суть которого состоит в сложном перемешивании ис-
ходной информации в блоке и формированию коротких двоичных слов, раз-
ряды 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 би-
тов, при котором CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких
(единицы процентов от длины блока) словах CRC. В качестве ECC исполь-
зуются коды Хэмминга (Hamming) и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые
также включают в себя и функции EDC.
Информационная избыточность несущего цифрового сигнала приводит к зна-
чительному (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 которо-
го — оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот,
постоянную составляющую, минимальное и максимальное количество нуле-
вых/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, за-
пись 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.
Как звук представляется в цифровом виде?
Исходная форма звукового сигнала — непрерывное изменение амплитуды во
времени — представляется в цифровой форме с помощью «перекрестной дис-
кретизации» — по времени и по уровню.
Строго говоря, любой аналоговый сигнал в конечном счете тоже дискретен
как по времени, так и по величине — например, звуковой сигнал является
результатом взаимодействия конечного числа атомов или молекул газов и
твердых тел, электрический сигнал — результатом перемещения конечного
числа элементарных зарядов (электронов) и т.п. Поэтому, говоря о дис-
кретизации аналогового сигнала, имеют в виду значительно большую сте-
пень дискретности, которая поддается измерению приборами средней точ-
ности.
Согласно теореме Котельникова, любой непрерывный процесс с ограничен-
ным спектром может быть полностью описан дискретной последователь-
ностью его мгновенных значений, следующих с частотой, как минимум
вдвое превышающей частоту наивысшей гармоники процесса; частота Fd вы-
борки мгновенных значений (отсчетов) называется частотой дискретиза-
ции.
Из теоремы следует, что сигнал с частотой Fa может быть успешно дис-
кретизирован 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 спек-
тра входного сигнала ниже половины частоты дискретизации.
Одновременно с временнОй дискретизацией выполняется амплитудная — из-
мерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде число-
вых величин с определенной точностью (квантование). Точность измерения
(двоичная разрядность N получаемого дискретного значения) определяет
уровень шума, вносимого квантованием, и динамический диапазон цифрово-
го сигнала (теоретически, для цифрового сигнала в чистом виде, 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 от-
счета 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 варь-
ируется 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 стан-
дартные 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 вы-
сокие 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 воспри-
нимаются 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 им-
пульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM — Pulse Code Modulation), так как
сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (вре-
меннАя 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.
Что такое АЦП и ЦАП?
Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобра-
зует 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 выда-
че результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный
аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерени-
ем амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение
амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной вели-
чины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр)
превращает в непрерывный аналоговый сигнал.
Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в тече-
ние времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается
схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сох-
раняющая его в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП
также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние пере-
ходных 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 распо-
ложены вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник (боковые полосы).
При этом первое отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa рас-
полагается непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для
его подавления аналогового фильтра (anti-alias filter) с высокой кру-
тизной среза. В АЦП этот фильтр устанавливается на входе, чтобы исклю-
чить перекрытие спектров и их интерференцию, а в ЦАП — на выходе, что-
бы подавить в выходном сигнале надтональные помехи, внесенные времен-
нОй дискретизацией.
Что такое передискретизация (oversampling)?
Это дискретизация сигнала с частотой, превышающей основную частоту
дискретизации. Передискретизации может быть аналоговой, когда с повы-
шенной частотой делаются выборки исходного сигнала, или цифровой, ког-
да между уже существующими цифровыми отсчетами вставляются дополни-
тельные, рассчитанные путем интерполяции. Другой способ получения зна-
чений промежуточных отсчетов состоит во вставке нулей, после чего вся
последовательность подвергается цифровой фильтрации. В АЦП использует-
ся 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 ана-
логовый 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 отраже-
ния спектра пропорционально отодвигаются от основного сигнала, и ана-
логовый фильтр может иметь гораздо меньшую крутизну среза.
Другое преимущество передискретизации состоит в том, что ошибки ампли-
тудного квантования (шум дробления), распределенные по всему спектру
квантуемого сигнала, при повышении частоты дискретизации распределяют-
ся 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 раз-
ряд эквивалентен 6 дБ шума, каждое учетверение частоты позволяет
уменьшить разрядность преобразователя на единицу.
Передискретизация вместе с увеличением разрядности отсчета, интерполя-
цией отсчетов с повышенной точностью и выводом их на ЦАП надлежащей
разрядности позволяет несколько улучшить качество восстановления зву-
кового 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 време-
ни преобразования могут обходиться без схемы выборки-хранения.
Каковы достоинства и недостатки цифрового звука?
Цифровое представление звука ценно прежде всего возможностью бесконеч-
ного хранения и тиражирования без потери качества, однако преобразова-
ние из аналоговой формы в цифровую и обратно все же неизбежно приводит
к частичной его потере. Наиболее неприятные на слух искажения, вноси-
мые на этапе оцифровки — гранулярный шум, возникающий при квантовании
сигнала по уровню из-за округления амплитуды до ближайшего дискретного
значения. Гранулярный шум сильно коррелирован с сигналом (зависит от
него), и представляет собой гармоники сигнала, искажения от которых
наиболее заметны в верхней части спектра. Проявления гранулярного шума
и его связь сигналом легко заметить, прослушав синусоидальный сигнал с
частотой около 0.1..5 Гц — гранулярный шум в этом случае проявляется в
виде изменяющегося по высоте паразитного тона, частота которого зави-
сит от частоты, формы и максимальной амплитуды полезного сигнала.
Мощность гранулярного шума обратно пропорциональна количеству ступеней
квантования, однако из-за логарифмической характеристики слуха при ли-
нейном квантовании (постоянная величина ступени) на тихие звуки прихо-
дится меньше ступеней квантования, чем на громкие, и в результате ос-
новная плотность нелинейных искажений приходится на область тихих зву-
ков. 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.
При восстановлении звука из цифровой формы в аналоговую возникает
проблема сглаживания ступенчатой формы сигнала и подавления гармоник,
вносимых частотой дискретизации. Из-за неидеальности АЧХ фильтров мо-
жет происходить либо недостаточное подавление этих помех, либо избы-
точное ослабление полезных высокочастотных составляющих. Плохо подав-
ленные гармоники частоты дискретизации искажают форму аналогового сиг-
нала (особенно в области высоких частот), что создает впечатление «ше-
роховатого», «грязного» звука.
Что такое Dithering и Noise Shaping?
Это в некотором роде искусственные методы обработки цифрового звуково-
го сигнала, направленные на улучшение субъективного качества звучания
ценой очевидного ухудшения его объективных характеристик (прежде всего — коэффициента нелинейных искажений и соотношения сигнал/шум).
Dithering (сглаживание) заключается в добавлении к сигналу небольшого
количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра
(белый, розовый и т.п.). При этом заметно ослабляется корреляция оши-
бок квантования с полезным сигналом («рассеиваются» ошибки округления)
и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное качество звуча-
ния заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в зависи-
мости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до
нескольких разрядов.
Noise Shaping (формовка шума) заключается в преобразовании сильно за-
шумленного полезного сигнала с целью вытеснения чисто шумовых компо-
нент в надтональную область с выделением в нижней части спектра основ-
ной энергии полезного сигнала. По существу, Noise Shaping является од-
ним из видом PWM (Pulse Width Modulation — широтно-импульсная модуля-
ция, ШИМ) с дискретной шириной импульса. Сигнал, обработанный этим ме-
тодом, требует обязательной фильтрации с подавлением высоких частот — это выполняется либо цифровым, либо аналоговым способом.
Основное применение Noise Shaping находит в области представления циф-
ровых сигналов отсчетами меньшей разрядности с повышенной частотой
следования. В delta-sigma ЦАП для повышения частоты следования отсче-
тов увеличивается в десятки раз частота дискретизации, на которой из
исходных многоразрядных отсчетов формируются серии отсчетов разряд-
ностью 1..3. Низкочастотная часть спектра потока этих отсчетов с высо-
кой точностью повторяет спектр исходного сигнала, а высокочастотная
содержит в основном чистый шум.
В случае преобразования цифрового сигнала к отсчетам более низкой раз-
рядности на той же частоте дискретизации Noise Shaping выполняется
вместе с операцией Dithering’а. Поскольку в этом случае повышение час-
тоты дискретизации невозможно, вместо этого спектр добавляемого шума
формируется таким образом, чтобы его низко- и среднечастотная часть
максимально точно повторяла слабую часть сигнала, заключенную в отсе-
каемых младших разрядах отсчетов. Благодаря этому основная энергия шу-
ма вытесняется в верхнюю часть рабочего диапазона частот, а в наиболее
слышимой области остаются вполне разборчивые следы слабого сигнала,
который иначе оказался бы полностью уничтоженным. Несмотря на то, что
объективные искажения сохраненного таким образом слабого сигнала очень
велики, его субъективное восприятие остается вполне приемлемым, позво-
ляя воспринимать на слух компоненты, уровень которых меньше младшего
разряда отсчета.
По существу, Dithering и Noise Shaping являются частными случаями од-
ной технологии — с той разницей, что в первом случае используется бе-
лый шум с равномерным спектром, а во втором — шум со спектром, специ-
ально сформированным под конкретный сигнал. Данная технология приводит
к «нестандартному» использованию цифрового формата, основанному на
особенностях человеческого слуха.
Как устроены и работают 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 восьмираз-
рядного — 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12. — последовательного приближения — преобразователь при помощи вспомога-
тельного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным.
Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного
деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящего-
ся поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразова-
ние за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от ве-
личины входного сигнала. — с измерением временнЫх интервалов — широкая группа АЦП, использующая
для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уров-
ней в пропорциональные временнЫе интервалы, длительность которых изме-
ряется при помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда называ-
ются 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 ис-
точник опорного напряжения с измерением длительности разряда. — следящие — вариант АЦП последовательного счета, при котором генера-
тор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменя-
ет его от предыдущего значения до текущего.
Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является Sigma-Delta, ра-
ботающий на частоте Fs, значительно (в 64 и более раз) превышающей
частоту дискретизации Fd выходного цифрового сигнала. Компаратор тако-
го АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые — 0/1), сумма которых на интервале дискретизации Fd пропорциональна ве-
личине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается
цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в ре-
зультате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и час-
тотой дискретизации Fd.
Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния ошибок кванто-
вания, которое в случае однобитового преобразователя получается до-
вольно 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, незна-
чительная часть остается в нижней половине, и практически весь шум
удаляется из полосы исходного аналогового сигнала.
ЦАП в основном строятся по двум принципам: — взвешивающие — с суммированием взвешенных токов или напряжений, ког-
да каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоично-
му весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие
ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit). — Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Вход-
ной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более) передис-
кретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно
однобитовые) значения, обрабатываемые методом Noise Shaping (обычно
реализуемым посредством цифрового фильтра и обратной связи по ошибке).
Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи
эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к
выходному сигналу.
Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют bitstream
(поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation — модуляция плотностью
импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с широтно-импульсной
модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выбор-
ки-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. В них
сигнал обратной связи по ошибке получают сразу несколько схем формовки
шума, управляющих шириной выходного импульса.
Различие ЦАП типа PDM и PWM в основном состоит в том, что максимальная
ширина импульса в PWM не равна степени двойки (например, для MASH она
равна 11).
ЦАП с передискретизацией и малым числом реальных разрядов обладают
значительно лучшей линейностью, нежели параллельные ЦАП той же эффек-
тивной разрядности. Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет со-
бой полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочас-
тотного шума, основная энергия которого достаточно далеко отстоит от
верхней частоты полезного сигнала и потому эффективно подавляется даже
простейшим аналоговым фильтром.
Эффективная разрядность Delta-Sigma ЦАП обычно определяется из пара-
метров выходного сигнала — уровня шума и коэффициента нелинейных иска-
жений, характерных для параллельного ЦАП определенной разрядности. При
этом эффективная разрядность Delta-Sigma ЦАП может значительно превы-
шать разрядность его входного сигнала — например, ЦАП для 16-разрядно-
го цифрового сигнала может иметь эффективную разрядность 18, 20 и бо-
лее, сглаживая исходный сигнал, уменьшая в нем влияние ошибок кванто-
вания и тем самым делая его более комфортным для слухового восприятия.
ЦАП являются «прямыми» устройствами, в которых преобразование выполня-
ется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве своем — после-
довательные и более медленные устройства.
Какие интерфейсы используются для передачи цифрового звука?
S/PDIF (Sony/Philiрs Digital Interface Format — формат цифрового ин-
терфейса фирм Sony и Philiрs) — цифровой интерфейс для бытовой радио-
аппаратуры.
AES/EBU (Audio Engineers Society / European Broadcast Union — общество
звукоинженеров / европейское вещательное объединение) — цифровой ин-
терфейс для студийной радиоаппаратуры.
Оба интерфейса являются последовательными и используют одинаковый фор-
мат сигнала и систему кодирования — самосинхронизирующийся код BMC
(Biphase-Mark Code — код с представлением единицы двойным изменением
фазы), и могут передавать сигналы в формате PCM разрядностью до 24 бит
на частотах дискретизации до 48 кГц.
Каждый отсчет сигнала передается 32-разрядным словом (кадром), в кото-
ром 20 разрядов используются для передачи отсчета, а 12 — для формиро-
вания синхронизирующей преамбулы, передачи дополнительной информации и
бита четности. 4 разряда из служебной группы могут использоваться для
расширения формата отсчетов до 24 разрядов.
192 последовательных кадра образуют блок, начало которого отмечается
специальным кодом преамбулы первого кадра.
Помимо бита четности, служебная часть слова содержит бит достоверности
(Validity), который должен быть нулевым для каждого достоверного от-
счета. В случае приема слова с единичным битом Validity либо с наруше-
нием четности в слове приемник трактует весь отсчет как ошибочный и
может на выбор либо заменить его предыдущим значением, либо интерполи-
ровать на основе нескольких соседних достоверных отсчетов. Отсчеты,
помеченные как недостоверные, могут передавать CD-проигрыватели,
DAT-магнитофоны и другие устройства, если при считывании информации с
носителя не удалось скорректировать возникшие в процессе чтения ошиб-
ки.
В служебную часть слова входят также биты C (Channel Status — состо-
яние канала) и U (User Bit — бит пользователя). Последовательная це-
почка каждого из этих битов, взятых по одному из каждого кадра блока,
образует 192-разрядное слово служебных битов блока, где передается ин-
формация о названии произведения, номере дорожки, идентификаторе пере-
дающего устройства, субкодах компакт-диска и т.п. В S/PDIF передаются
параметры защиты от копирования (SCMS).
Стандартно формат кодирования предназначен для передачи одно- и двух-
канального сигнала, однако при использовании служебных разрядов для
кодирования номера канала возможна передача многоканального сигнала.
С электрической стороны S/PDIF предусматривает соединение коаксиальным
кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и разъемами типа RCA («тюль-
пан»), амплитуда сигнала — 0.5 В. AES/EBU предусматривает соединение
симметричным экранированным двухпроводным кабелем с трансформаторной
развязкой по интерфейсу RS-422 с амплитудой сигнала 3-10 В, разъемы — трехконтактные типа Cannon XLR. Существуют также оптические варианты
приемопередатчиков — TosLink (пластмассовое оптоволокно) и AT&T Link
(стеклянное оптоволокно).
Какие методы используются для эффективного сжатия цифрового звука?
В настоящее время наиболее известны Audio MPEG, PASC и ATRAC. Все они
используют так называемое «кодирование воспринимаемого» (perceptual
coding) при котором из звукового сигнала удаляется информация, малоза-
метная для слуха. В результате, несмотря на изменение формы и спектра
сигнала, его слуховое восприятие практически не меняется, а степень
сжатия оправдывает незначительное уменьшение качества. Такое кодирова-
ние относится к методам сжатия с потерями (lossy compression), когда
из сжатого сигнала уже невозможно точно восстановить исходную волновую
форму.
Приемы удаления части информации базируются на особенности человечес-
кого слуха, называемой маскированием: при наличии в спектре звука вы-
раженных пиков (преобладающих гармоник) более слабые частотные состав-
ляющие в непосредственной близости от них слухом практически не вос-
принимаются (маскируются). При кодировании весь звуковой поток разби-
вается на мелкие кадры, каждый из которых преобразуется в спектральное
представление и делится на ряд частотных полос. Внутри полос происхо-
дит определение и удаление маскируемых звуков, после чего каждый кадр
подвергается адаптивному кодированию прямо в спектральной форме. Все
эти операции позволяют значительно (в несколько раз) уменьшить объем
данных при сохранении качества, приемлемого для большинства слушате-
лей.
Каждый из описанных методов кодирования характеризуется скоростью би-
тового потока (bitrate), с которой сжатая информация должна поступать
в декодер при восстановлении звукового сигнала. Декодер преобразует
серию сжатых мгновенных спектров сигнала в обычную цифровую волновую
форму.
Audio MPEG — группа методов сжатия звука, стандартизованная MPEG
(Moving Pictures Experts Group — экспертной группой по обработке дви-
жущихся изображений). Методы Audio MPEG существуют в виде нескольких
типов — MPEG-1, MPEG-2 и т.д.; в настоящее время наиболее распростра-
нен тип MPEG-1.
Существует три уровня (layers) Audio MPEG-1 для сжатия стереофоничес-
ких сигналов:
1 — коэффициент сжатия 1:4 при потоке данных 384 кбит/с;
2 — 1:6..1:8 при 256..192 кбит/с;
3 — 1:10..1:12 при 128..112 кбит/с.
Минимальная скорость потока данных в каждом уровне определяется в 32
кбит/с; указанные скорости потока позволяют сохранить качество сигнала
примерно на уровне компакт-диска.
Все три уровня используют входное спектральное преобразование с разби-
ением кадра на 32 частотные полосы. Наиболее оптимальным в отношении
объема данных и качества звука признан уровень 3 со скоростью потока
128 кбит/с и плотностью данных около 1 Мб/мин. При сжатии с более низ-
кими скоростями начинается принудительное ограничение полосы частот до
15-16 кГц, а также возникают фазовые искажения каналов (эффект типа
фэйзера или фленжера).
Audio MPEG используется в компьютерных звуковых системах, CD-i/DVD,
«звуковых» дисках CD-ROM, цифровом радио/телевидении и других системах
массовой передачи звука.
PASC (Precision Adaptive Sub-band Coding — точное адаптивное внутрипо-
лосное кодирование) — частный случай Audio MPEG-1 Layer 1 со скоростью
потока 384 кбит/с (сжатие 1:4). Применяется в системе DCC.
ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding — акустическое кодирование
адаптивным преобразованием) базируется на стереофоническом звуковом
формате с 16-разрядным квантованием и частотой дискретизации 44.1 кГц.
При сжатии каждый кадр делится на 52 частотные полосы, результирующая
скорость потока — 292 кбит/с (сжатие 1:5). Применяется в системе
MiniDisk.
Какие форматы используются для представления цифрового звука?
Понятие формата используется в двух различных смыслах. При использова-
нии специализированного носителя или способа записи и специальных ус-
тройств чтения/записи в понятие формата входят как физические характе-
ристики носителя звука — размеры кассеты с магнитной лентой или дис-
ком, самой ленты или диска, способ записи, параметры сигнала, принципы
кодирования и защиты от ошибок и т.п. При использовании универсального
информационного носителя широкого применения — например, компьютерного
гибкого или жесткого диска — под форматом понимают только способ коди-
рования цифрового сигнала, особенности расположения битов и слов и
структуру служебной информации; вся «низкоуровневая» часть, относяща-
яся непосредственно к работе с носителем, в этом случае остается в ве-
дении компьютера и его операционной системы.
на мой взгляд информация достаточно корректна, но интересно узнать мнение коллег…
