6-2-воротников

Шумоподавление (пример)

Сжатие динамического диапазона

Цифровая запись звука

В цифровых системах звукозаписи аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП. Это преобразование описывается двумя основными параметрами: разрешением (квантованием по уровню) и частотой дискретизации (определяющей квантование по времени).

Классификация систем звукозаписи

Максимальный динамический диапазон, достигаемый в канале аналоговой записи звука, даже со средствами шумоподавления обычно не превышает 70 дБ. Больший диапазон (свыше 100 дБ) достигается в цифровых системах записи.

В первых системах цифровой записи использовали видеомагнитофон системы PAL. Поэтому за частоту дискретизации fд было взято значение 44,1 кГц (50 Гц 294 строки 3 отсчета).

Разрешение определяется необходимым динамическим диапазоном воспроизводимого сигнала.

Например, £дин = 100 дБ требует не менее чем 16-битного квантования, т. е. разрешение составит 1/65 536 максимальной амплитуды сигнала или 0,0015 дБ.

Общепринятыми значениями fд являются: 44,100 и 48 кГц (высокое качество, для CD и DAT), 22,050 кГц (среднее качество) и 11,025 кГц (низкое качество).

Представление звука в цифровой форме предполагает значительное расширение полосы пропускания канала. Так, передача звукового сигнала в полосе частот 20 кГц и £дин = 100 дБ при

частоте дискретизации fд = 44,1 кГц (без компрессии) требует пропускной способности канала I/t не менее 44,1 кГц 16 бит = 706 Кбит/с, что соответствует полосе частот, равной 768 кГц.

Особенности дискретизации звука

Дискретизация звука

Дискретизация звукового сигнала должна осуществляться с частотой fд большей частоты

Найквиста fН. При этом, новый сигнал имеет две особенности:

в его спектре появляются неслышимые ранее звуки (артефакты), вследствие эффекта свертки;

спектр сигнала значительно расширяется вследствие процедуры модуляции.

При дискретизации сигнала происходят те же процессы, что и при амплитудно-импульсной модуляции: сложение исходного гармонического сигнала с импульсным (рис. 69, а).

в

а

б

Рис. 69. Дискретизация сигнала (а), спектр простейшего дискретизированного сигнала (б), генератор звука (в)

В целом, спектр этого сигнала бесконечен (рис. 69, б), что определяется бесконечностью спектра

прямоугольных импульсов.

Свертка спектра аналогового сигнала при дискретизации

При дискретизации сигнала с = fд > 2fН, получается звук с более низкой частотой, чем у оригинала. То есть, происходит «свертка» всего первоначального спектра аналогового сигнала, простирающегося до нескольких сот килогерц, вовнутрь полосы частот от 0 Гц до fН (рис. 70, а – в).

Рис. 70. Сигнал с помехой (а), свертка спектра при дискретизации (б), результирующий искаженный сигнал (в), дискретизация помехи (г)

Это вызвано тем, что для помехи частота дискретизации fд меньше, чем ее частота Найквиста fН (см. рис. 70, г), что соответствует частоте «восстановленного» низкочастотного сигнала:

fН > fд

Так, если дискретизацию сигнала синусоидальной формы, имеющего частоту 33 кГц, проводить с

частотой 48 кГц, появится новый сигнал с частотой 15 кГц (48 – 33) кГц.

Расширение спектра аналогового сигнала при дискретизации

После дискретизации спектр дискретизированного сигнала становится значительно шире спектра исходного аналогового сигнала (рис. 71, а).

Эта проблема решается методом дискретизации на повышенной частоте (oversampling, рис. 71, б) и последующей фильтрацией цифровым фильтром (рис. 71, в).

Дискретизация сигнала на достаточно высокой частоте исключает алиасинг (aliasing) – наложение гармоник и искажение спектра.

На завершающем этапе цифровой обработкой сигнала сдвигают алиасинговые спектральные компоненты в область верхних частот и с помощью аналогового фильтра их окончательно подавляют.

Причина алиасинга

Алиасинг (наложение) — негативный эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации. Он проявляется в случае, если условия теоремы Котельникова не выполняются.

Пример

Пусть звуковой сигнал не содержит частот выше 20 кГц. Тогда, по теореме Котельникова, можно выбрать частоту дискретизации равную 40 кГц. Если в звуке появилась помеха с частотой 28 кГц (рис. 72, а), то условия теоремы Котельникова для сигнала с помехой перестанут выполняться.

Рис. 72. Алиасинг: а – спектр сигнала и помехи ультразвукового диапазона, б – наложение спектров

Проведем дискретизацию данного аналогового сигнала с частотой 40 кГц, а затем – восстановим его sinc-интерполяцией. Помеха отразилась от половины частоты дискретизации в нижнюю часть спектра и наложилась на звук, переместившись в слышимый диапазон (рис. 72, б).

Вывод

Для устранения алиасинга нужно применить перед оцифровкой анти-алиасинговый фильтр. Он

подавит все помехи выше половины частоты дискретизации (выше 20 кГц) и пропустит весь сигнал

ниже 20 кГц.

Aliasing

Квантование основного тона