Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Однако в настоящее время британское министерство связи, контролирующее связь и радиовещание, внедрило цифровые линии связи с пропускной способностью 2,048 Мбит/с, что позволило передавать звуковые программы в цифровом виде. В результате отношение сигнал/шум 5/Жс, в радиовещательных системах отдаленных районов страны было повышено с 40 до 60 и более децибел во всей полосе частот.
Многие радиовещательные компании Европы оборудуют сейчас свои передающие станции цифровыми системами со стандартизованным форматом. Количество вещательных программ, которые можно передавать в цифровой форме по линиям британского министерства связи с применением уплотнения каналов определяется только скоростью получения информации из АЦП. Эта скорость равна произведению разрядности чисел (определяющей динамический диапазон) на частоту дискретизации (определяющую ширину полосы частот сигнала). При использовании описанных выше АЦП информация в каждом звуковом канале создается со скоростью 0,5 Мбит/с. В таких условиях по каждой цифровой линии связи с применением метода уплотнения можно передать только четыре монофонические или две стереофонические программы.
Поэтому примерно в 1970 г. были развернуты дальнейшие исследования по развитию методов сжатия полосы сигнала с тем, чтобы построить системы сжатия, позволяющие снизить скорость информации без внесения в программу воспринимаемых на слух искажений. 2А.1. Сжатие объема звуковой информации Первые эксперименты по сжатию объема звуковой информации проводились в исследовательских лабораториях Би-би-си с целью 7 — 359 98 Глава 2 б9 Ци4ровая обработка звуковых сигналов определения требуемого динамического диапазона аналого-цифровых преобразователей.
Методом массового прослушивания было установлено, что для фортепьянной музыки необходим динамический диапазон АЦП в 84 дБ (14 разрядов). В этом случае 90% слушателей не замечают шума дробления [37]. Позднее к тем же выводам независимо пришли исследователи в ФРГ [40]. Однако шум дробления можно сделать незаметным для слуха, если к полезному сигналу перед квантованием прибавить белый шум, уровень которого вдвое превышает уровень шума дробления. Было также замечено, что этот дополнительный шум можно без вреда уменьшить на 6 дБ, если добавить еще меандр с частотой, равной половине частоты дискретизации.
Такие добавки увеличивают уровень шума всего лишь на 2 дБ по сравнению с шумом дробления. Эти результаты наводят на мысль, что если к полезному сигналу добавлен «раскачивающий» сигнал, то динамический диапазон 78 дБ (13 разрядов) будет более чем достаточен. Следует заметить, что подобный ограниченный динамический диапазон был признан удовлетворительным в основном потому, что на радиостанциях в качестве источника музыки для передачи обычно используются записи, в частности магнитофонные, динамический диапазон которых не превышает 75 дБ [79]. Поэтому нет необходимости в том, чтобы качество системы передачи было намного лучше, чем качество передаваемого материала. Сама по себе величина отношения 5/Лв, (т.
е. ширина динамического диапазона) не является решающим фактором, определяющим допустимый уровень шума в присутствии сигнала. Сжатие объема информации может быть достигнуто только за счет увеличения уровня шума в те моменты, когда в тракте присутствует сигнал. Одной из таких систем является компандер. Перед аналого-цифровым преобразованием осуществляется преобразование, сжимающее динамический диапазон сигнала, а после восстановления аналогового сигнала выполняется обратное преобразование, расширяющее динамический диапазон.
Степень сжатия сигнала непосредственно определяется уровнем сигнала, а также законом возрастания ошибки квантования. В соответствии с данным методом, давно применяемым к речевым сигналам [45, 46], перед АЦП включается блок с определенной нелинейностью амплитудной характеристики и соответствующая нелинейность вводится после ЦАП. Обычно эти нелинейпости являются линейно-логарифмическими, как, например, р-характеристика: Е (х) = 81дп (х) ', — 1 ( х < 1, 1и (1 + а ~ х ~ ) 1п(1+ р) где х — значение входного сигнала, Р(х) — значение сигнала после нелинейного преобразования, поступающее на вход АЦП, з коэффициент р определяет степень сжатия. С ростом р отношение 5/Ж„остается постоянным во все более широком диапазоне значений полезного сигнала, но его величина при этом уменьшается. Нелинейность является логарифмической при больших значениях сигнала и линейной — при малых.
Коэффициент ц определяет уровень, ~при котором происходит переход от линейного участка к логарифмическому. Аналогичная система, предназначенная для передачи музыки, исследовалась специалистами министерства почт ФРГ [40]. Характеристика сжатия имела несколько иной вид (так называемая А-характеристика); опа описывается соотношениями 84п (х) + ~ ~ ), — <~х~:. 1, 1+ 1п(А) ' А 81Яп(х), 0 - ~х]< —, А~х~ ., 1 1+ 1п(А) ' А где параметр сжатия А выбран равным 87,7.
В данном примере выигрыш за счет сжатия составлял 24 дБ и был равен разнице между коэффициентами усиления при сильных и слабых сигналах. Это позволило обойтись 10-разрядными числами в системе, где динамический диапазон должен обеспечиваться 14-разрядными числами; однако отношение 5/Л'„составляло всего 50 дБ при изменении сигнала от максимума до — 24 дБ и линейно убывало, когда уровень сигнала становился меньше — 24 дБ. Такие характеристики являются предельно допустимыми для высококачественных передач. В психоакустических экспериментах было выяснено, что при высоком уровне громкости короткие ноты с частотой от 500 Гц до 5 кГц плохо маскируют шум и требуется отношение 5/Л'„, превышающее 50 дБ [10].
С другой стороны, низкие тона органа и некоторые ноты других инструментов (например, английского рожка) также плохо маскируют шум, и здесь тоже необходимы высокие значения отношения 5/Ж„. Низкие тона органа создают особую проблему, поскольку при большой собственной мощности они слабо воспринимаются ухом, а шум квантования является широкополосным и его среднечастотные составляющие плохо заглушаются органом. Чтобы решить эти проблемы, перед сжатием и после расширения динамического диапазона звуковых сигналов проводят фильтрацию, искажающую, а затем восстанавливающую сигнал. По европейскому стандарту (СС1ТТ) уровень сигнала требуется понижать на 13 дБ на частотах ниже 2 кГц и повышать на 4 дБ на частотах выше 5 кГц.
На выходе цифро-аналогового преобразователя включается обратный фильтр. Это удобно по двум причинам. Во-первых, ослабляются мощные низкочастотные составляющие музыки, так что система, состоящая из блока сжатия и ~Э Глава 2 Цифровая обработка звуковых сигналов 100 Урвали лвалагавалиа Юлвлилейлай системв и К~Г1 И 1г и 7 зф су ~г ~з ~~ ~в ирвлгуг АЦП, не работает в режиме больших сигналов, когда величина ошибки квантования максимальна, т. е. таким образом уменьшается уровень шума квантования. Во-вторых, ослабление высокочастотных компонент выходного сигнала понижает уровень шума, возникающего в АЦП.
Однако уровень сигнала приходится несколько понижать, чтобы не допустить перегрузки АЦП. Такие фильтры повышают 5/Ж„с 50 до 58 дБ. Компандеры получили широкое распространение в звукотехнике лишь в последнее время. Дело в том, что нелинейность их характеристик приводила к ошибкам различного вида, увеличивающим уровень шума. Некоторые цепи были склонны к самовозбуждению и трудно настраивались, Амплитудную характеристику компандера можно, однако, реализовать в цифровом виде с помощью кусочно-линейной аппроксимации требуемой характеристики.
На рис. 2.19 показано, каким образом стандартный 14-разрядный АЦП может выполнять квантование с учетом вида амплитудной характеристики компандера. Здесь, как и при использовании метода поразрядного взвешивания, квантование сигнала производится в несколько этапов путем сравнения отсчета со скачкообразно изменяемым опорным напряжением. Однако величина приращения опорного напряжения зависит не только от номера (старшинства) проверяемого разряда, но и от значений предыдущих разрядов и соответствует фиксированному шагу (зависящему только от старшинства разряда) вдоль оси аргументов кусочно-линейной характеристики.
Специалисты из исследовательских лабораторий Би-би-си, изучавшие ту же проблему [42], пришли к другому решению, отличающемуся от предложенного инженерами министерства почт ФРГ. После многочисленных прослушиваний, проведенных с привлече- Рис, 2.19а. Аналого-цифровой преобразователь с кодированием методом поразрядиого взвешивания, в котором реализуется нелинейная характеристика схемы сжатия, Стандартная логическая схема поразрядного взвешивания управляет схемой нелинейного преобразования, так что уровни, подаваемые иа схему сравнения, соответствуют заданной нелинейной характеристике.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
