Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Низкочастотный сигнал с большой амплитудой приведет к явному усилепию шума квантования, так как подобный сигнал не создает эффективной маскировки. Эта проблема разрергается путем сжатия характеристики АЦП в отдельных узких полосах. Аналогичные решения были найдены при создании классических нецифровых систем шумоподавления ~38, 88~, хотя в та11их системах применялись частотные каналы гораздо большей 1пирины, чем критические полосы.
Сигнал, поступающий из каждого полосового фильтра, дискретизуется с частотой, вдвое превышающей ширину полосы фильтра, и полученные отсчеты подвергаются многоканальному уплотнению. Эквивалентная частота дискретизации при этом не изменяется, так как сумма всех частот по-прежнему равна удвоенной ширине полосы всей системы. Исходя из вышеизложенного, можно ожидать, что скорость создания информации здесь будет близка к 0,2 ~йбит/с, а не к 0,3 Мбит/с, характерной для системы с поблочно цлавающей запятой.
Некоторое дополнительное сокращение скорости поступления информации можно получить, если учесть, что соседние частотные каналы могут сильно маскировать друг друга. Поэтому можно сделать адаптивным распределение числа разрядов между каналами. Тому из каналов, который заглушается мощным сигналом из соседних каналов или сильным сигналом в удаленном высокочастотном канале, можно отвести меньше разрядов. Подобный адап'тивный метод довольно трудно описать математически и может оказаться, что его будет очень трудно реализовать, но тем не менее можно надеяться, что он позволит сократить скорость поступления информации на 20 — 30%.
Проведя этот предварительный анализ, можно сделать вывод, что оптимальный АЦП для одной монофонической программы, в котором используется психоакустическое согласование, по всей видимости, будет иметь скорость создания информации порядка 0,15 Мбит/с. Это примерно втрое лучше, чем при использовании 15-разрядного АЦП с постоянной характеристикой и частотой дискретизации 35 кГц, или вдвое лучше, чем для системы сжатия с Плавающей запятой. Пока не ясно, будет ли усложнение аппаратуры оправдано Уменьшением объема информации. В некоторых случаях, когда стоимость передачи или хранения информации высока, сокращепие объема информации, по-видимому, компенсирует дополнительные расходы.
Так, например, для фонотеки, где хранится 10000 рулонов пленки, тройное сокращение объема пленки может оказаться достаточной компенсацией усложнения аппаратуры. Аналогично стоимость линии связи может значительно перекрыть стои- 3 — 359 Глава 2 66 67 мость аппаратуры сжатия, так как, например, 5000 км высокока- чественной линии связи стоят чрезвычайно дорого. 2.3. Звукозапись Значительная, а может быть и ббльшая, часть всей музыки в настоящее время приходит к слушателям с помощью звукозаписи.
Даже музыка, передаваемая по радио, почти полностью воспроизводится с грампластинок. Поэтому звукозапись является важной областью применения техники звуковоспроизведения, так как она во многом определяет качество сигнала, воспроизводимого в доме. 2.3.1. Цифровые магнитофоны Студийная запись музыки сейчас практически полностью выполняется на нескольких дорожках, причем на каждой дорожке записывают партию одного исполнителя или группы исполнителей. Кроме того, отдельные части музыкального произведения могут быть записаны в разное время. Для создания окончательной записи могут потребоваться разрезание и склейка пленки, а также перезапись исходного материала с многих отдельных дорожек.
Каждое проигрывание магнитной записи на обычном аналоговом магнитофоне приводит к ухудшению сигнала, и окончательная запись содержит сумму всех помех и искажений, внесенных на каждом этапе редактирования и монтажа (микширования) записей. Преимущества цифровой магнитной записи легче заметить, проанализировав свойства обычных аналоговых систем. Студийные магнитофоны основаны на тех же принципах, что и бытовые, но имеют гораздо большую надежность. Тонкая лента, покрытая магнитным материалом, на постоянной скорости протягивается возле записывающей головки. Головка представляет собой электромагнит, спроектированный так, что его магнитное поле концентрируется в узком зазоре, с которым соприкасается пленка.
Записывающая головка создает магнитное поле, модулированное музыкальным сигналом, и это поле ориентирует на пленке магнитные домены. В результате на пленке образуется сравнительно устойчивая физическая структура, отображающая записываемое музыкальное произведение. При воспроизведении магнитные свойства этой структуры воспринимаются головкой за счет электромагнитной индукции и создается электрический сигнал. Искажения возникают по двум основным причинам: 1) неидеальности характеристик магнитного материала и магнитофонных головок и 2) несовершенства механической системы для протяжки пленки с постоя иной скор остью. Магнитные материалы, из которых делаются пленки, восприимчивы к аддитивным шумам, а также имеют нелинейные передаточные характеристики даже при оптимальных параметрах записыва- 1!ифровая обработка звуковых сигналов 1ощего устройства [31].
В лучшем случае достигается 5/Ув„равное 70 дБ", если даже применяются специальные дополнительные п1умоподавляющие устройства [38]. На высоких частотах динамический диапазон ограничивается еще сильнее, если только длина нолны записываемого на пленке сигнала не увеличена за счет понышения скорости протяжки (например, до 7б,2 см/с). Шум, создаиаемый па пленке в процессе записи, не является стационарным, а ыодулпруется сигналом, т. е. образует сложную модуляционную помеху [29]. При воспроизведении синусоидального сигнала, как правило, у синусоиды появляются боковые полосы, содержащие шумовой сигнал. Этот вид помехи очень заметен, когда частота сигнала близка к 1 кГц, где отношение 5/№, опускается ниже 40 дБ [30].
Недостаточно хорошее качество пленки и загрязнения на ней создают быстрые флуктуации амплитудной и фазовой характеристик, особенно заметные в области высоких частот [33]. Эти флуктуации приводят к низкому качеству записи и отчетливо слышны на фоне чистых тонов таких инструментов, как орган или флейта. Любые эксцентриситеты во вращающихся частях лентопротяжного механизма, таких, как ведущий вал с маховиком или инерционные обводные ролики, приводят к непостоянству скорости движения ленты при записи и воспроизведении. Это создает частотную модуляцию, к которой ухо особенно чувствительно. Конструкторы студийных магнитофонов обычно стараются уменьшить детонации звука до уровня, меньшего 0,1%, особенно для флуктуаций с частотой — 4 Гц [34]. Поддержание постоянной скорости протяжки связано с большими трудностями.
Из-за нелинейной зависимости коэффициента трения между пленкой и головками (от натяжения пленки) при движении пленки могут наблюдаться микроскопические рывки. Механические резонансы при движении слабо натянутой ленты могут усиливать рывки. Подобную неравномерность, связанную с трением, можно уменьшить за счет правильного расположения обводных роликов [30]. Из-за ~перечисленных трудностей, а также в силу неизбежной нестабильности и ненадежности аналоговых устройств магнитофоны с цифровой записью найдут широкое применение в технике студийной звукозаписи.
Особенно это относится к изготовлению " Методика измерения 5/Л'б, зависит от применяемых стандартов, которые неодинаковы в разных странах и даже в различных отраслях науки и техники. Так, например, максимальный сигнал можно определить как среднее квадратическое значение (СКЗ) синусоидального колебания с частотой 1 кГц, которое создает гармонические искажения величиной 0,4; 1 или 3%. Частота может отли~аться от 1 кГц.
Аналогично шум может быть спектрально-окрашенным и хаРактеризоваться максимальным, средним или средним квадратическим значением. Иногда шум измеряется на чистой пленке, иногда — на размагниченной. Все Эти варианты следует учитывать при оценке измеренного значения отношения ~/Лес; сравнение различных магнитофонов является весьма трудной операцией, ° 4сли измерения не производились в одинаковых условиях.
68 Глава 2 (о О3 й~ $ х х у о ха о о~ а иннин или~зАВ Р/йл7н 9~' первичных записей и архивному хранению звукозаписей. Построено несколько экспериментальных систем цифровой магнитной записи [20, 22, 32~. Фирма Ырроп Со1шпЬ1а уже приступила к выпуску музыкальных записей, смонтированных с применением цифровой магнитной записи. В скором времени следует ожидать появления серийных цифровых магнитофонов, предназначенных для звукозаписи. Принцип действия цифровых магнитофонов несложен (рис. 2.10).
Сигнал в каждом из входных каналов подвергается низкочастотной фильтрации, дискретизуется, и его отсчеты превращаются в числа с помощью одного из методов, рассмотренного выше. Потоки двоичных чисел уплотняются в один общий канал, причем вводятся дополнительные разряды для синхронизации, исправления ошибок, проверки на четность и поблочного нормирования. Образующаяся сложная последовательность двоичных цифр в модуляторе преобразуется в соответствующую последовательность аналоговых импульсов.
При воспроизведении все процессы происходят в обратном порядке. Считанный с ленты сигнал декодируется, из него выделяются служебные разряды, исправляются ошибки и производится разделение по каналам. Если полагать, что ошибок после исправления не остается, то качество восстановленного сигнала определяется только характеристиками АЦП н ЦАП. Хотя из-за неидеальности механизма протяжки скорость пленки будет оставаться непостоянной, интервалы между воспроизведенными числами можно уравнять с помощью выходного буферного накопителя.
Как показано на рис. 2.11, кольцевой накопитель заполняется с переменной частотой, пропорциональной скорости пленки, а считывание происходит с постоянной частотой, задаваемой кварцевым генератором. Очевидно, что если между этими частотами в среднем имеется постоянная разница, то в некоторый момент накопитель опорожнится или переполнится. Чтобы этого не произошло, вырабатывается вспомогательный сигнал, описывающий степень заполнения накопителя и управляющий скоростью вращения сервопривода тонвала. Разность между входным и выходным адресами, взятая по модулю емкости накопителя, вводится в простой цифро-аналоговый преобразователь.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
