Подмешивание псевдослучайного сигнала (dither)

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 ошибок квантования с полезным сигналом ("рассеиваются" ошибки округления) и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное качество звучания заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в зависимости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до нескольких разрядов.

Некоторые характеристики АЦП могут быть улучшены путём использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала (англ. dither). Она заключается в добавлении к входному аналоговому сигналу случайного шума (белый шум) небольшой амплитуды. Амплитуда шума, как правило, выбирается на уровне половины МЗР. Эффект от такого добавления заключается в том, что состояние МЗР случайным образом переходит между состояниями 0 и 1 при очень малом входном сигнале (без добавления шума МЗР был бы в состоянии 0 или 1 долговременно). Для сигнала с подмешанным шумом вместо простого округления сигнала до ближайшего разряда происходит случайное округление вверх или вниз, причём среднее время, в течение которого сигнал округлён к тому или иному уровню зависит от того, насколько сигнал близок к этому уровню. Таким образом, оцифрованный сигнал содержит информацию об амплитуде сигнала с разрешающей способностью лучше, чем МЗР, то есть происходит увеличение эффективной разрядности АЦП. Негативной стороной методики является увеличение шума в выходном сигнале. Фактически, ошибка квантования размазывается по нескольким соседним отсчётам. Такой подход является более желательным, чем простое округление до ближайшего дискретного уровня. В результате использования методики подмешивания псевдослучайного сигнала мы имеем более точное воспроизведение сигнала во времени. Малые изменения сигнала могут быть восстановлены из псевдослучайных скачков МЗР путём фильтрации. Кроме того, если шум детерминирован (амплитуда добавляемого шума точно известна в любой момент времени), то его можно вычесть из оцифрованного сигнала, предварительно увеличив его разрядность, тем самым почти полностью избавиться от добавленного шума.

Звуковые сигналы очень малых амплитуд, оцифрованные без псевдослучайного сигнала, воспринимаются на слух очень искажёнными и неприятными. При подмешивании псевдослучайного сигнала истинный уровень сигнала представлен средним значением нескольких последовательных отсчётов.

Реальные музыкальные сигналы далеки от белого шума. Из-за этого шумы квантования оказываются коррелированы с сигналом. Человеческое слуховое восприятие чётко реагирует на это возникновением ощущения “грязного звука”. Особенно ярко этот эффект проявляется для 8-битных отсчётов сигнала. Другими словами если сигнал с обычного компакт диска (16-битный) уменьшится по громкости на 48 дБ (на 8 бит) от своего номинального уровня, то он станет “грязным” и непригодным для прослушивания. То есть вместо заявленного для компакт дисков отношения сигнал/шум 96 дБ реальный динамический диапазон из-за эффекта корреляции шумов квантования составляет всего 48 дБ ! Получается что перед записью на компакт диск исходный музыкальный материал должен быть скомпрессирован тем или иным способом с целью уменьшения его динамического диапазона и предотвращения “грязного” звучания на слишком маленьких уровнях громкости. Однако сжатие динамического диапазона исходного музыкального материала, достигающего порой 100 и более дБ (например для электрогитары) на 48 дБ без заметных на слух искажений представляется крайне сложной задачей. Поэтому иногда применяется диттеринг, позволяющий частично “обменять” эффект грязного звучания на незначительное увеличения высокочастотного шума. Метод дитеринга заключается в добавлении небольшого шумового (обычно высокочастотного) сигнала во входной сигнал АЦП или уже к цифровому сигналу в момент перехода от оцифрованного с разрядностью 20 и более бит исходного музыкального материала к 16-битному предназначенному для записи на компакт диск. Это приводит к декореляции шумов квантования и сигнала, однако общий уровень шумов немного возрастает.

Очень похожий процесс, также называемый dither или диффузия ошибок, применяется для представления полутонов изображений в компьютерной графике при малом количестве бит на пиксел. При этом изображение становится зашумленным, но визуально воспринимается реалистичнее чем то же изображение полученное простым квантованием.