2.5.Цифровоепредставлениезвуковыхсигналов

Параметрыцифровогопредставлениязвуковыхсигналоввыбираютсявсо­ответствииспараметрамиэтихсигналовисвойствамислуха.

Человекможетвосприниматьзвукивдиапазонечастотот20Гцдо20кГц.

Частотныйдиапазонзвуковречисоставляетот70до8000Гцизависитоттипаголоса.

Диапазоносновныхчастотзвучанияфортепианоот27,5до4186Гц,однако

засчетналичиягармоник(обертонов)частотный'диапазонэтогоидругихмузы­кальныхинструментовпростираетсядо12...15кГцивыше.Спектрзвуков,соз­даваемыхморскимприбоем,аплодисментами,шелестомлеса111т.пможетпе­рекрыватьвесьдиапазончувствительностислуха.

Всистемахпередачиречисудовлетворительнымкачеством,например,вцифровойтелефоннойсвязи,обычноиспользуютчастотудискретизации8кГц.Переддискретизациейnолосачастотзвуковогосиналаограничиваетсясверхудо4кГц,чтобывыполнялосьусловиеКотельникова.Длявысококачественнойпередачиречииспользуютчастотудискретизации16кГц.

Призаписизвуковыхсигналовнакомпакт-дискичастотадискретизациирав­на44,1кГц,чтообеспечиваетпередачувсеговоспринимаемогочастотногодиапазона.Всистемахцифровогорадиовещаниясверхнейграничнойчастотой

передаваемыхзвуковыхсиналовf₈₌15кГцчастотадискретизацииравна

32кГц,априf₈₌20кГц-частотадискретизации48кГц.

Количестводвоичныхразрядовквантованиядлязвуковыхсигналовдолжно

бытьзначительнобольше,чемдлявидеосигналов.Этообъясняетсятем,чтослуходновременновоспринимаетболееширокийдинамическийдиапазон,чемзрение.

Призаписинакомпакт-дискиивсистемахвысококачественнойпередачизвуковразличногохарактераобычноиспользуетсяравномерноеквантованиесчисломразрядов,равным16,изнихстаршийбитиспользуетсявкачествезна­кового,т.е.показываетполярностьданногоотсчетасигнала.В§2.2былопока­зано,чтовэтомслучаеотношениепиксвоймощностисигналакдисперсиишу­маквантованиясоставляетпримерно101дБ.Однакореальныйдинамическийдиапазонзаписываемыхзвуковыхсигналовзначительноуже-порядка50...60дБ.Нельзязаписыватьоченьслабыесигналы,таккакдлянихприрав­номерномквантованиивлияниешумаквантованиястанетслишкомзаметным.Нельзятакжедопускать,чтобыуровеньсигналаприблизилсякмаксимальновозможному,чтобывАЦПневозниклоограничениесигнала,приводящеексильнымискажениямвоспроизводимогозвука.

Длярасширениявниздинамическогодиапазонапередаваемыхзвуковыхсигналови/илидляуменьшениячисладвоичныхразрядовпередквантованиемможновыполнятькомпандирование.ЧастоиспользуетсятакназываемыйJ.t-закон,описываемыйсоотношением

1п(1+JllИвхl1Uвхмакс)

Ивых=Ивхмакс lп(₁+Jl) '

гдеJl-параметрсжатия.Зависимостинормированныхзначенийвыходногона­пряженияотвходногопритакомкомпандированиидляразныхзначений11-показа­

нынарис.2.21.ДляпередачиречипотелефонуиспользуютсяJ.l=255иJl=100,

количестворазрядовквантованияпослекомпандированияравно8.Ввысококаче­

ственномзвуковомвещаниииспользуютJl=15.Компандированиеможетвыпол­нятьсякаканалоговойсхемойдоАЦП,такипослеАЦПвцифровойформе.

Втабл.2.5даныпараметрынекоторыхвариантовцифровогопредставлениязвуковыхсигналов.

Таблица2.5

Областьиспользования	Частотадискретизации,кГц	Числоуровнейквантования	Скоростьпередачидвоичныхсимволов,кбит/с
Компакт-диски	44,1	16	705,6 (наодинканал)
Цифровоерадиовещание, цифровоеТВ-вещание	48	16...20	768...960 (наодинканал)

Областьиспользования	Частотадискретизации,кГц	Числоуровнейквантования	Скоростьпередачидвоичныхсимволов,кбит/с
NICAM-системацифровойпе-редачизвукадляаналоговогоТВ-вещания	32	14докомпанди-рования, 1О-посленего	996(стерео)до компандера,728посленего
ПередачаречипоРекомендацииG.711(скомпандированием)	8	8	64

Ивых/Ивыхм

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

О,1

о

о 0,2 ^{0,4 0,6 0,8}

ИвхfИвхм

Рис.2.21.Передаточныехарактеристикикомпандированияпо,и-закону

Обратноепреобразованиезвуковыхсигналовизцифровойформыванало­говуютребуетобязательногоиспользованияФНЧ,подавляющеговсечастотывышеfдf2,гдеfд-частотадискретизации,чтобыточновосстановитьформуаналоговогосигнала.

ЧтобыупроститьтребованияканалоговомуФНЧ,передцифрааналоговым

преобразованиемвыполняютповышениечастотыдискретизации(upsampling)внесколькораз.Например,частоту44,1кГцповышаютв4разадо176,4кГц.Промежуточныеотсчетыполучаютпутеминтерполяциисиспользованиемцифровогофильтра.Приэтомвсепобочныесоставляющиеспектрасигнала

смещаютсявверх.

Нарис.2.22,апоказанспектрсигналанавыходеЦАПитребуемаяАЧХФНЧ

безповышениячастотыдискретизации,анарис.2.22,6-послеповторнойдис­кретизации.Изрисунковвидно,чтововторомслучаеАЧХможетбытьзначи­

тельноболеепологой.