семестр 1 / лабы / лаба 4 / лаба_3_3_фипоз_метода

Шаг квантования при переходе от шкалы к шкале удваивается. Отношение сигнал/ искажение квантования при передаче с помощью ПМК реального звукового и гармонического сигналов представлено на рис. 3.8. Мощность шумов квантования, как и при МК, зависит от свойств сигнала.

Процедура кодирования включает:

Передается следующая информация: полярность (1разряд),

положение внутри шкалы (9 разрядов) и номер шкалы (3 разряда один раз в течение 1 мс). Скорость цифрового потока V составит:

V = 32000 10 + 3 1000 = 323 кбит/с.

Для передачи такого цифрового потока необходимо абонировать, по-прежнему, те же шесть телефонных каналов.

Характерные искажения ПМК – шумы квантования, шумы ограничения, искажения бигармонического сигнала; частично устранена психофизическая избыточность, обусловленная низкой заметностью искажений на фоне сигнала и статистическая – избыточность описания, обусловленная использованием известных заранее свойств ЗВС, малой скоростью изменения огибающей.

Метод почти мгновенного компандирования с характеристикой, изображенной на рис. 3.7, рекомендован МККТТ для применения

ваппаратуре высококачественной передачи сигналов 3В.

3.4.Дифференциальные методы квантования

При значительной корреляции между отсчетами дисперсия разности между соседними отсчетами будет меньше дисперсии сигнала, поэтому для квантования разности при oдинаковой точности квантования потребуется меньше порогов (уровней квантования),

чем для непосредственного квантования отсчетов. На этом основа-

ны дифференциальные методы квантования (они же – разностные системы кодирования и системы с предсказанием).

В отличие от систем ИКМ, в дифференциальной ИКМ (ДИКМ) передаются не абсолютные значения сигнала, а сигнал ошибки между предсказанным значением и реальным (ошибка предсказания), для кодирования которой надо меньше разрядов. Порядок используемого предсказателя определяет величину ошибки, с учетом свойств ЗВС предсказатели выше 13-го порядка неэффективны, поэтому в ДИКМ используются обычно не выше второго.

Основное искажение, ограничивающее применение ДИКМ для передачи ЗВС, – ограничение крутизны, когда нарастание временной функции (атака) не может быть описано сигналом ошибки с ограниченным числом разрядов. Такие искажения характеризуются высокой заметностью. Как и при ИКМ, присутствуют шумы квантования, зато отсутствуют искажения ограничения.

Разновидность ДИКМ – адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ), в которой шаг квантования меняется в зависимости от амплитуды сигнала. В чистом виде ДИКМ и АДИКМ для передачи ЗВС не используются, хотя имеются публикации с результатами таких экспериментов. Достигнута скорость передачи 256 кбит/с, однако при передаче фортепиано и целого ряда инструментов с акцентированной атакой искажения заметны.

На практике нашла применение система, включающая комбинацию ИКМ с ПМК и АДИКМ, используемая в аппаратуре В 6/12 [11, 43], в которой четные отсчеты передаются с использованием 10разрядной ПМК, а нечетные – как разность между линейноинтерполированным значением по двум соседним четным и истинным, полученным с помощью 9-разрядной ПМК. В среднем на отсчет приходится 9,5 бит, поэтому сэкономить, по сравнению с ПМК, удается 15 кбит/с. Это позволяет разместить в стандартном потоке Е1 (2048 кбит/с) до 6 каналов ЗВ с достаточно высоким субъективно воспринимаемым качеством.

В заключение анализа дифференциальных методов квантования упомянем дельта-модуляцию (ДМ), которую можно рассматривать как один из видов ДИКМ. При ДМ шаг квантования постоянен – передается только информация о его знаке. Поэтому при уменьшении шага квантования и увеличении частоты дискретизации, используя ДМ, можно описать любую функцию сколь угодно точно. В настоящее время ДМ широко используется при реализации многоразрядных АЦП, резко упрощая их схемотехническую реализацию и точность при одновременном удешевлении (дельта-сигма преобразователи).

Анализ функции распределения мгновенных значений ЗВС показывает, что вероятность появления малых и средних значений сигнала гораздо выше, нежели больших. Если кодировать значения ЗВС с большой вероятностью появления короткими кодовыми комбинациями, а маловероятные – длинными (как в азбуке Морзе), то можно устранить избыточность, определяемую неравновероятностью их появления. В результате скорость передачи удается сократить в среднем в 2–3 раза, а для конкретной программы – в 4–5 раз. К недостаткам такого оптимального статистического кодирования ЗВС можно отнести: необходимость согласования структуры кодирующего устройства с распределением вероятности значений, переменную длину кодового слова, а также сложность аппаратной реализации, что в настоящее время почти никого не пугает.

И наконец, коснемся еще двух методов кодирования звуковых сигналов. При так называемом апертурном кодировании в исходной реализации сигнала выделяются только существенные – по отношению к установленной ширине апертуры – отсчеты. Ширина апертуры является удвоенным значением допустимой погрешности. В результате скорость передачи ЗВС удается сократить до двух раз, а речь – приблизительно в 2,5 раза. Недостатки такого кодирования заключаются в переменной скорости цифрового потока за счет нерегулярной дискретизации (только в значащие моменты) и в зависимости качества кодирования от свойств сигнала, вследствие чего сложно оптимизировать процедуру для разных звуковых программ. Тем не менее, апертурное кодирование используется для кодирования аналоговых сигналов в системах сбора данных.

В ряде публикаций предлагается представлять ЗВС в виде двух функций: мгновенной частоты и огибающей и кодировать каждую из них по отдельности. По мнению авторов этих публикаций, кодирование мгновенной частоты и огибающей ЗВС позволит резко сократить объем передаваемой информации за счет предполагаемой узкополосности каждой из этих функций и возможности их компрессии. Результаты реализации предлагаемых алгоритмов пока не подтверждают перспективности такого направления.

3.5.Повышение эффективности цифрового представления ЗВС

Возможность повышения эффективности цифрового представления ЗВС связана с развитием техники аналого-цифрового преобразования. В частности, появление однобитного цифрового формата (DSD) [58] в каналах записи и передачи сигнала звукового вещания было обусловлено совершенствованием дельта-сигма преоб-

разователей и увеличением пропускной способности трактов хранения и передачи звуковых сигналов.

Компании Sony и Philips, разработавшие DSD-кодирование, известны своими достижениями в цифровом аудио. Начав во второй половине 1970-х годов с 14-битных АЦП и двигаясь далее к 16-, 18-, 20- и 24-битным системам, именно эти две компании внесли наибольший вклад в развитие многоразрядных АЦП. Поэтому совсем не случайно, что именно они теперь предлагают принципиальный отход от традиционных многоразрядных АЦП.

Однобитный формат записи – это прямая запись однобитного выходного сигнала с АЦП типа «дельта-сигма», причем этот сигнал имеет замечательные характеристики: динамический диапазон – более 120 дБ, частотную характеристику – от 0 до 100 кГц.

Большинство аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей для достижения высокой точности преобразования звукового сигнала используют промежуточную дельта-сигма модуляцию для представления сигнала в простейшую одноразрядную цифровую форму. Многоразрядное представление в этом случае достигается с помощью прореживающего (decimating) фильтра. Цифро-анало- говые преобразователи используют интерполирующие цепи, которые повышают частоту дискретизации и удаляют искажения, возникающие при передискретизации.

Хотя повышение разрядности и частоты дискретизации АЦП реально улучшает качество звука, эти улучшения становятся все менее значительными. Очевидная причина этого – проблема высококачественной фильтрации. Дело в том, что на входе АЦП необходимо применение фильтра с очень высокой крутизной характеристики – для подавления частоты, равной половине частоты выборки или превышающей ее. При частоте дискретизации 44,1 кГц такие фильтры (их иногда называют фильтрами типа «кирпичная стена») должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц – задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования.

Ясно, что повышение частоты дискретизации облегчает работу входного фильтра АЦП, но не решает проблему появления шумов квантования при многоступенчатых процессах аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразований. В технологии DSD, как и в обычных АЦП, аналоговый сигнал сначала преобразуется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции – при использовании частоты дискретизации, в 64 раза превышающей номинальную частоту дискретизации системы. Но в технологии DSD одноразрядные импульсы записываются напрямую, тогда как обычные системы затем преобразуют одноразрядный сигнал в многоразрядные кодовые слова.

В результате DSD дает цифровое одноразрядное представление аудиосигнала. Так как значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот ме-

тод иногда называют Pulse Density Modulation (PDM).

Полученный таким образом поток импульсов имеет примечательные свойства. Как и системы ИКМ с многоразрядными АЦП/ЦАП, DSD-кодирование по своей природе устойчиво к искажениям, шуму и детонации записывающей аппаратуры и передающих каналов. Но, в отличие от ИКМ, DSD, как принцип преобразования, гораздо ближе к аналоговой передаче сигнала. При этом обратное – цифро-аналоговое преобразование – может быть легко получено с помощью аналогового НЧ фильтра.

Сам по себе поток дельта-сигма импульсов является довольно «шумным». Сверхвысокое отношение сигнал/шум, которого требует DSD в звуковом диапазоне, достигается с помощью шумоподавляющих фильтров пятого порядка, что эффективно сдвигает шумы вверх по частоте за пределы звукового диапазона.

Итак, главные преимущества предлагаемого формата состоят в:

•превосходных частотных и фазовых характеристиках;

•высокой помехоустойчивости;

•более простой обработке и коммутации;

•возможностях усовершенствования без ущерба для совместимости носителей.

Технология DSD позволяет представить звук в виде сигнала в полосе от постоянного тока до 100 кГц с отношением сигнал/искажения (шум) квантования минус 120 дБ во всем звуковом диапазоне. Таким образом, эта технология способна обеспечить стабильный, но расширяемый и совершенствуемый формат записи.

3.6. Задача изменения частоты дискретизации

При аналого-цифровом и цифро-аналоговом преобразовании, а также при передаче сигнала по каналу возникает необходимость в изменении частоты дискретизации. Как отмечалось выше, современные АЦП реализованы, как правило, с использованием на входе дельта-представления сигнала с высокой частотой дискретизации. Это позволяет хранить только одно прецизионное напряжение, соответствующее минимальному шагу квантования, с которым сравнивается очередное приращение сигнала. Последовательность нулей и единиц, соответствующая положительным и отрицательным приращениям сигнала, подается на счетчик, где преобразуется в 16…24-разрядную последовательность. Это позволяет резко упростить сам процесс кодирования. Однако основной выигрыш состоит

в отказе от входного аналогового обрезающего фильтра, стоимость которого, по некоторым данным, составляет до 90% стоимости АЦП. Действительно, при частоте дискретизации 2,8 МГц даже фильтр, состоящий из емкости и сопротивления, обеспечит необходимую линейность в зоне существования звуковых частот.

При реализации АЦП, когда на входе имеется непрерывная аналоговая функция, проблем с использованием высокой частоты дискретизации не возникает. Гораздо сложнее ситуация на выходе канала передачи или при хранении цифрового сигнала, когда он представлен отсчетами на одной из стандартных частот дискретизации. В этом случае для повышения качества и устранения необходимости использования выходных аналоговых фильтров высокого порядка необходимо искусственно повышать частоту дискретизации, т.е. синтезировать отсчеты там, где их нет [3].

В реальных системах, после того как выполнена коррекция канальных ошибок и произведена интерполяция отсчетов, содержащих ошибочные символы, сигнал поступает на ЦАП. Здесь последовательность n–разрядных выборок преобразуется в аналоговый сигнал ступенчатой формы, который, проходя затем через фильтры НЧ, приобретает вид, практически точно соответствующий сигналу, поступившему на вход АЦП аппаратуры связи или записи.

При описании процесса фильтрации звукового сигнала аналоговыми ФНЧ было отмечено, что для эффективного подавления ВЧ продуктов цифро-аналогового преобразования необходимы ФНЧ с очень крутым срезом АЧХ. Такие фильтры громоздки и дороги, так как требуют особо точных компонентов и тщательной настройки. Более простые НЧ фильтры не в состоянии обеспечить нужную фильтрацию, в результате чего отношение сигнал–шум будет значительно хуже 90…98 дБ, которые гарантируются самим принципом 16разрядного квантования.

Упростить выходной фильтр удается путем использования предварительной цифровой фильтрации и искусственного повышения частоты дискретизации с применением цифровых интерполирующих фильтров (процедура «оверсемплинга»).

Дискретизированный АМ сигнал на выходе ЦАП имеет периодический спектр, полоса звуковых частот 0…20 кГц периодически повторяется с центрами на частотах, кратных частоте дискретизации: Fд, 2Fд, 3Fд и т. д., где Fд = 44,l кГц (см. рис. 3.9,а). Чтобы выделить эту полосу частот, необходим аналоговый фильтр с АЧХ, показанной на рис. 3.9,б. Если дополнить схему цифровым фильтром, то требования к аналоговому фильтру снизятся, его АЧХ показана на рис. 3.9,в. Характеристика цифрового фильтра имеет периодическую структуру и повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации

(рис. 3.9,г). Высокочастотные компоненты, лежащие выше частоты Fд / 2, все равно подавляться не будут ни цифровым фильтром, ни пологой частью аналогового ФНЧ. Это приведет к появлению интермодуляционных компонентов, которые попадут и в полосу звукового сигнала.

Рис.3.9. Спектры цифрового звукового сигнала (а), АЧХ аналоговых фильтров (б, в) и цифрового фильтра (г).

В современных системах частота дискретизации повышается до 256 раз. В этом случае срез АЧХ аналогового фильтра может быть пологим и, тем не менее, обеспечивать эффективную фильтрацию, что иллюстрируют построения на рис. 3.10.

С помощью передискретизации (транскодирования) можно получить отношение сигнал–шум более 90 дБ, даже используя 14разрядный ЦАП вместо 16-разрядного. При этом 16-разрядные значения выборок округляются до 14-разрядных. Такой способ применялся фирмой Philips в первых моделях проигрывателей компактдисков.

На сегодня преобразование частоты дискретизации на стыках трактов и звеньев канала осуществляется, в большинстве случаев, с переходом к аналоговому сигналу и повторным АЦП. Как известно, повторное квантование приводит к снижению отношения сигнал– шум на 6 дБ, одновременно, за счет аналоговой фильтрации, ухудшается равномерность АЧХ и ФЧХ [43]. В результате после нескольких переприемов цифровой сигнал по качеству не будет отличаться от аналогового.

Рис. 3.10. АЧХ цифрового фильтра после двукратного (а), четырехкратного (б) и восьмикратного (в) повышения частоты дискретизации

В состав структурной схемы преобразователя входят: ПЧД –

блок повышения частоты дискретизации, в котором частота дис-

кретизации удваивается за счет добавления нулевых отсчетов; ЦФ –

цифровой интерполирующий фильтр, в котором вычисляются про-

межуточные значения сигнала и подставляются вместо нулевых отсчетов; при снижении частоты дискретизации ЦФ ограничивает полосу сигнала; Дец – блок децимации, в данном случае производит отбрасывание каждого второго отсчета (децимация – весьма популярная в древнеримском войске процедура усечения головы каждому десятому воину, проигравшему сражение).

Простейший фильтр-интерполятор первого порядка показан на рис. 3.12. В состав схемы входят линии задержки дискретизированной последовательности на один такт, умножители, сумматор. Действие схемы показано на примере обработки двух вариантов входной последовательности: 101 и 010, из которых на выходе сформирована последовательность 111, т.е. нулевые отсчеты заполнены отсчетами, интерполированными по соседним значениям. Для обес-