Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Типичная длительность этого интервала равна 53 цифровая обработка звуковых сигналов Глава 2 Ъ ф Ц приемник Р.тж недирлеанин 2.2.3. Дельта-модуляцня ииднеи сигнал бллка аплралси- маиии Передаваемый лажи двеии- ных гисел 100 —:300 мс, что соответствует длительности слога речи или музыкальной ноты. Выходной сигнал в этом случае образует массивы с поблочно плавающей запятой (см. стр.
102). Выбор между мгновенным и послоговым управлением определяется особенностями реализации АЦП. При использовании мгновенного алгоритма необходимо, чтобы точность установки коэффициента усиления нормирующих усилителей была близка к точности следующих за ними преобразователей. Послоговый алгоритм в большей мере допускает неточности в установке коэффициентов усиления.
В нормальных условиях переключения усиления осуществляются лишь несколько раз в секунду, и эти неточности не замечаются на слух, так как они появляются в моменты изменения характера музыки. Поскольку послоговый АЦП с плавающей запятой обычно не вносит заметных искажений и прост в реализации, то ему, как правило, и отдают предпочтение. Выходной блок системы проектируется аналогичным образом, т. е. после ЦАП включается масштабный усилитель. Данный метод преобразования стал типичным, и появился ряд его разновидностей ~3, 12, 80~. В некоторых случаях, рассматриваемых ниже, первоочередной задачей является сокращение до минимума разрядности чисел. Поскольку сжатие легче осуществляется в цифровом виде, высококачественные системы преобразования часто выполняют роль входного блока в устройствах сокращения избыточности информации.
При дельта-модуляции (ДМ) в цифровом виде представляется разность величин последовательных отсчетов сигнала. Основным достоинством преобразователей, входящих в данный класс, является простота конструкции, так как здесь в отличие от ИКМ не требуются поразрядное взвешивание, запоминающие усилители, фильтры для устранения наложения спектров, нормирование и детали с повышенной точностью номиналов. Тем не менее в такой .системе можно получить высокие значения 5/Уб„например — 65 дБ. Недостатком дельта-модуляции является то, что для достижения заданного качества сигнала обычно необходима гораздо большая скорость передачи информации, чем при использовании ИКМ.
Поэтому ДМ лучше подходит для тех систем, где недопустимы большие затраты на хранение или обработку отсчетов. Примером может служить рассматриваемая ниже линия задержки, применяемая в системе имитации акустики больших залов. В литературе ~471 можно найти подробный анализ систем с дельта-модуляцией, здесь же приводится лишь краткий обзор таких систем. Одноразрядный дельта-модулятор, изображенный на рис.
2.4, .образует поостейший АЦП. На каждом тактовом интервале выно- Рис. 2.4а. Одноразрядная система дельта-модуляции. Еходио» сигнал сравнивается с сигналом, вырабатываемым в блоке аппроксимации (БЛ). мзображенном в виде интегратора. На выходе схемы сравнения (СС) появляются двоичные 'единицы или нули, которые с каждым тактовым импульсом поступают в Р-триггер. Если разность между входным сигналом и аппроксимирующим его значением положительна, то вырабатывается двоичная единица; если, разность отрицательна — то двоичный нуль. В бло«е аппроксимации при поступленйи ~двоичной единицы создается ток положительного направления, а для двоичного нуля — отрицательного направления. В нормальных условиях выходной сигнал блока аппроксимации будет сравнительно близок к входному сигналу. Почкольасу в данный блок поступает такой же поток двоичных цифр.
что и в передатчик, то в приемнике будет вырабатываться аналогичный аппроксимирующий сигнал. Рис. 2.46. Сигналы в системе дельта-модуляции: входной, выходной в блоке аппроксимации и передаваемый поток двоичных чисел, на основе которого в приемнике создается аппроксимирующий сигнал. Если передаются одинаковые числа. то имеет место ограничение скорости нарастания аппроксимации, поскольку аппроксимирующий сигнал не успевает отслеживать изменения входного сигнала. Если передаются непрерывно чередующиеся числа, то аппроксимирующий сигнал колеблется относительно правильного значения. сится бинарное решение путем сравнения уровня входного сигнала с величиной аппроксимированного предыдущего отсчета, сохраняемого в модуляторе. Если сигнал больше аппроксимированного значения, то к последнему добавляется фиксированное приращеиие, и наоборот, если сигнал меньше предыдущего отсчета, прира)тцение вычитается.
Процесс повторяется для каждого отсчета, и Йппроксимированное значение сигнала все время удерживается Глава 2 вблизи истинного значения входного сигнала. Точность аппроксимации прямо связана с величиной приращения. Одноразрядные числа, на основании которых в кодировщике строится аппроксимированное значение входного сигнала, можно передать в другое место и там восстановить по ним ту же самую величину сигнала. При одноразрядном преобразовании возникают два вида искажений сигнала. Если входной сигнал быстро увеличивается, то аппроксимированное значение сигнала не успевает нарастать вслед за ним, так как максимальная скорость изменения выходного сигнала равна всего одному шагу квантования за интервал дискретизации. Это приводит к затягиванию фронтов входного сигнала (з1оре очег1оаб), известному также под названием «ограничение скорости изменения» (з1еж-га1е 11ппЫпд) или «ограничение первой производной» (с11рр1пд о1 1Ье багз| с1ег1ча11че) .
Вторым видом искажений являются грубые ошибки при слабых сигналах, когда величина сигнала меньше единицы приращения выходного сигнала. В этом случае возникает рыскание, или, что то же самое, колебания относительно истинного значения сигнала, соответствующие шуму квантования в преобразователе с ИКМ. Такой вид искажений называют также шумом дробления. Качество работы одноразрядного преобразователя полностью определяется частотой дискретизации и, следовательно, скоростью создания информации.
При заданной величине шага квантования создается шум дробления определенного уровня, а максимальное значение сигнала определяется допустимой скоростью изменения сигнала и его частотой. Удваивая частоту дискретизации, можно в два раза повысить допустимую скорость изменения и тем самым при неизменной частоте удвоить максимальную амплитуду сигнала. Если же сохранить скорость изменения сигнала и в два раза уменьшить шаг квантования, то шум дробления понизится вдвое.
Можно найти оптимальную величину шага квантования, определяемую статистическими свойствами входного сигнала, при которой отношение сигнал/ошибка становится максимальным ~51, 55]. При таком анализе ошибки, связанные с затягиванием фронтов и шумом дробления, выражаются одним общим показателем. Однако оказалось, что слуховое восприятие затягивания фронтов сильнее зависит от мощности ошибки в производной звукового сигнала, чем от мощности ошибки в самом звуковом сигнале ~53]. Кроме того, затягивание фронтов характерно для случая высокочастотных сигналов, которые препятствуют восприятию комбинационных гармоник.
С другой стороны, шум дробления проявляется тогда, когда уровень сигнала становится малым. Одной из характеристик звуковоспроизводящей системы является ширина динамического диапазона, причем 5/№, чаще всего измеряется на частоте 1 кГц. Эту частоту обычно применяют и для определения максимальной величины основного тона долгих музы- Цифровая обработка звуковых сигналов увальных нот.
Составляющие более высоких частот либо являются ,более слабыми обертонами основного тона, либо возникают в не- установившихся процессах, вызванных игрой ударных инструментов. Можно показать, что для простого одноразрядного дельта- модулятора 5/№с определяется соотношением 0,2ф' 5/Увс = е ф10,5 где ~в — частота дискретизации, 1.— частота синусоидального сигнала, а В' — ширина полосы, в которой измеряется мощность шума ~66].
При дискретизации с частотой 500 кГц, когда скорость создания информации равна 500 кбит/с, для синусоидального сигнала в частотой 1 кГц можно достичь 5/№,=50 дБ, если допустимая ширина полосы кодируемого сигнала равна 14 кГц. Заметим, что эта цифра значительно меньше, чем для ИКМ-преобразователя, рассмотренного выше. Нетрудно найти причину такого различия.
При ДМ удвоение скорости создания информации (т. е. частоты дискретизации) увеличивает 5/№, лишь на 9 дБ, а удвоение разрядности в преобразователе с ИКМ увеличивает 5/№, экспоиенциально (удваивает его значение в децибелах). Поэтому там, где требуются большие значения 5/№„дельта-модулятор является ие лучшим вариантом. Пояснить сказанное можно следующими соображениями. Удвоение частоты дискретизации позволяет уменьшить шаг квантования только вдвое (на 6 дБ) и вдвое расширить полосу частот, в которой распределяется шум квантования. Последнее снижает спектральную плотность шума на 3 дБ.
Чтобы получить в системе с ДМ удовлетворительное качество звука, частота дискретизации должна составлять несколько мегагерц и столь же высокой должна быть скорость создания информации. Однако при низкой частоте дискретизации и соответственно низком 5/№с линейный дельта-модулятор оказывается не хуже обычного преобразователя с ИКМ ~67]. Поэтому ДМ больше подходит для передачи речи по телефону, чем для высококачественных систем звуковоспроизведения. В блоке аппроксимации (рис. 2.4) вместо простого интегратора или фильтра нижних частот можно применить интегрирующую цепь второго порядка.
В этом случае 5/№ выражается формулой 0,026УО '~ ~~/бс ~ ф'1,5 где ~в — частота дискретизации, ~,— частота сигнала, а 1à — полоса частот, в которой измеряется шум квантования ~66]. Для тех же значений частоты сигнала (1 кГц) и полосы (14 кГц) отношение 5/№с увеличивается от 50 почти до 65 дБ. Однако для получения этого выигрыша приходится преодолевать новые трудности. 56 57 Цифровая обработка звуковых сигналов Глава 2 Р=1,5 и РЯ=1, 2.2.4. Адаптнаная депьта-модупяцня кв1нтпавания Одна из них состоит в том, что характеристики шума становятся.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
