Чем цифровое представление сигналов отличается от аналогового?
Традиционное аналоговое представление сигналов основано на
подобии (аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения)
представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре, скорости
и т.п.), а также подобии форм электрических сигналов в различных точках
усилительного или передающего тракта. Форма электрической кривой, описывающей
(также говорят - переносящей) исходный сигнал, максимально приближена к форме
кривой этого сигнала.
Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение
формы несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же
искажение формы и сигнала переносимого. В терминах теории информации,
количество информации в несущем сигнале в точности равно количеству информации
в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит избыточности,
которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при хранении,
передаче и усилении.
Цифровое представление электрических сигналов призвано внести
в них избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого
на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его
амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1. Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны:
нижняя представляет нулевые значения, верхняя - единичные, а промежуточная
является запрещенной - внутрь нее могут попадать только помехи. Таким
образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины амплитуды несущего
сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи значений 0 и 1. Помехи с
большей амплитудой также не оказывают влияния, если длительность импульса
помехи ощутимо меньше длительности информационного импульса, а на входе
приемника установлен фильтр импульсных помех.
Сформированный таким образом цифровой сигнал может переносить
любую полезную информацию, которая закодирована в виде последовательности битов
- нулей и единиц; частным случаем такой информации являются электрические и
звуковые сигналы. Здесь количество информации в несущем
цифровом сигнале значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что
несущий сигнал имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые
искажения формы кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется
способность приемника правильно различать нули и единицы, не влияют на
достоверность передаваемой этим сигналом информации. Однако в случае
воздействия значительных помех форма сигнала может искажаться настолько, что
точная передача переносимой информации становится невозможной - в ней
появляются ошибки, которые при простом способе кодирования приемник не сможет
не только исправить, но и обнаружить.
Для еще большего повышения стойкости цифрового сигнала к помехам
и искажениям применяется цифровое избыточное
кодирование двух типов: проверочные (EDC - Error Detection Code, обнаруживающий
ошибку код) и корректирующие (ECC - Error Correction Code, исправляющий ошибку
код) коды. Цифровое кодирование состоит в простом добавлении к исходной
информации дополнительных битов и/или преобразовании исходной битовой цепочки в
цепочку большей длины и другой структуры. EDC позволяет просто обнаружить факт
ошибки - искажение или выпадение полезной либо появление ложной цифры, однако
переносимая информация в этом случае также искажается; ECC позволяет сразу же
исправлять обнаруженные ошибки, сохраняя переносимую информацию неизменной. Для
удобства и надежности передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры),
каждый из которых снабжается собственным набором этих кодов.
Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать
и исправлять ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и
искажения переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относительно объема
исходной информации в общем случае повышает обнаруживающую и корректирующую
способность этих кодов.
В качестве EDC популярен циклический
избыточный код CRC (Cyclic Redundancy Check), суть которого состоит в
сложном перемешивании исходной информации в блоке и формированию коротких
двоичных слов, разряды которых находятся в сильной перекрестной зависимости от
каждого бита блока. Изменение даже одного бита в блоке вызывает значительное
изменение вычисленного по нему CRC, и вероятность такого искажения битов, при
котором CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких (единицы процентов
от длины блока) словах CRC. В качестве ECC используются коды Хэмминга (Hamming)
и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые также включают в себя и функции EDC.
Информационная избыточность несущего цифрового сигнала
приводит к значительному (на порядок и более) расширению полосы частот,
требуемой для его успешной передачи, по сравнению с передачей исходного сигнала
в аналоговой форме. Кроме собственно информационной избыточности, к расширению
полосы приводит необходимость сохранения достаточно крутых фронтов цифровых
импульсов.
Кроме целей помехозащиты, информация в цифровом сигнале может
быть подвергнута также линейному или канальному кодированию, задача которого -
оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот, постоянную
составляющую, минимальное и максимальное количество нулевых/единичных импульсов
в серии и т.п.) под характеристики реального канала передачи или записи сигнала.
Полученный несущий сигнал, в свою очередь, также является
обычным электрическим сигналом, и к нему применимы любые операции с такими
сигналами - передача по кабелю, усиление, фильтрование, модуляция, запись на
магнитный, оптический или другой носитель и т.п. Единственным ограничением
является сохранение информационного содержимого - так, чтобы при последующем
анализе можно было однозначно выделить и декодировать переносимую информацию, а
из нее - исходный сигнал.
Как звук представляется в цифровом виде?
Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение
амплитуды во времени - представляется в цифровой форме с помощью
"перекрестной дискретизации" - по времени и по уровню.
Строго говоря, любой аналоговый сигнал
в конечном счете тоже дискретен как по времени, так и по величине - например,
звуковой сигнал является результатом взаимодействия конечного числа атомов или
молекул газов и твердых тел, электрический сигнал - результатом перемещения
конечного числа элементарных зарядов (электронов) и т.п. Поэтому, говоря о
дискретизации аналогового сигнала, имеют в виду значительно
большую степень дискретности, которая поддается измерению приборами
средней точности.
Согласно теореме Котельникова, любой непрерывный процесс с
ограниченным спектром может быть полностью описан дискретной
последовательностью его мгновенных значений, следующих с частотой, как минимум
вдвое превышающей частоту наивысшей гармоники процесса; частота Fd выборки
мгновенных значений (отсчетов) называется частотой дискретизации.
Из теоремы следует, что сигнал с частотой Fa может быть
успешно дискретизирован по времени на частоте 2Fa только в том случае, если он
является чистой синусоидой, ибо любое отклонение от синусоидальной формы
приводит к выходу спектра за пределы частоты Fa. Таким образом, для временнОй
дискретизации произвольного звукового сигнала (обычно имеющего, как известно,
плавно спадающий спектр), необходим либо выбор частоты дискретизации с запасом,
либо принудительное ограничение спектра входного сигнала ниже половины частоты дискретизации.
Одновременно с временнОй дискретизацией выполняется амплитудная - измерение мгновенных значений амплитуды и их
представление в виде числовых величин с определенной точностью (квантование).
Точность измерения (двоичная разрядность N получаемого дискретного значения)
определяет уровень шума, вносимого квантованием, и динамический диапазон
цифрового сигнала (теоретически, для цифрового сигнала в чистом виде, это
взаимно-обратные величины, однако любой реальный тракт имеет также и
собственный уровень шумов и помех).
Полученный поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий
звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code
Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени сигнала
представляется собственным цифровым кодом.
Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое
значение отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической
природы слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда
числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это
сопряжено с трудностями чисто технического характера.
ВременнАя дискретизация и амплитудное квантование сигнала
неизбежно вносят в сигнал шумовые искажения, уровень которых принято оценивать
по формуле 6N + 10lg (Fдискр/2Fмакс) + C (дБ), где
константа C варьируется для разных типов сигналов: для чистой синусоиды это 1.7
дБ, для звуковых сигналов - от -15 до 2 дБ. Отсюда видно, что к снижению шумов
в рабочей полосе частот 0..Fмакс приводит не только
увеличение разрядности отсчета, но и повышение частоты дискретизации
относительно 2Fмакс, поскольку шумы квантования "размазываются" по
всей полосе вплоть до частоты дискретизации, а звуковая информация занимает
только нижнюю часть этой полосы.
В большинстве современных цифровых звуковых систем
используются стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный
диапазон сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по
отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-разрядное
квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум около 98 дБ.
В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения - 18-, 20и
24-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192 кГц. Это
делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые
непосредственно не воспринимаются слухом, но влияют на формирование общей
звуковой картины.
Для оцифровки более узкополосных и менее качественных
сигналов частота и разрядность дискретизации могут снижаться; например, в
телефонных линиях применяется 7или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц.
Представление аналогового сигнала в цифровом виде называется
также импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM - Pulse Code Modulation), так как
сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (временнАя
дискретизация), амплитуда которых передается цифровым кодом (амплитудная
дискретизация). PCM-поток может быть как параллельным, когда все биты каждого
отсчета передаются одновременно по нескольким линиям с частотой дискретизации,
так и последовательным, когда биты передаются друг за
другом с более высокой частотой по одной линии.
Сам цифровой звук и относящиеся к нему вещи принято
обозначать общим термином Digital Audio; аналоговая и цифровая части звуковой
системы обозначаются терминами Analog Domain и Digital Domain.
Что такое АЦП и ЦАП?
Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый
преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй выполняет
обратное преобразование. В англоязычной литературе применяются термины ADC и
DAC, а совмещенный преобразователь называют codec (coder-decoder).
Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного
сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате
работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с
одновременным измерением амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на
входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или
тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый
фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.
Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться
в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема
выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в
течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может устанавливаться
подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на
параметры выходного сигнала.
При временнОй дискретизации спектр полученного импульсного
сигнала в своей нижней части 0..Fa повторяет спектр исходного сигнала, а выше
содержит ряд отражений (aliases, зеркальных спектров), которые расположены
вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник (боковые полосы). При этом первое
отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa располагается непосредственно
за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления аналогового фильтра
(anti-alias filter) с высокой крутизной среза. В АЦП этот фильтр
устанавливается на входе, чтобы исключить перекрытие спектров и их
интерференцию, а в ЦАП - на выходе, чтобы подавить в выходном сигнале
надтональные помехи, внесенные временнОй дискретизацией.
Что такое передискретизация (oversampling)?
Это дискретизация сигнала с частотой, превышающей основную
частоту дискретизации. Передискретизации может быть аналоговой, когда с
повышенной частотой делаются выборки исходного сигнала, или цифровой, когда
между уже существующими цифровыми отсчетами вставляются дополнительные,
рассчитанные путем интерполяции. Другой способ получения значений промежуточных
отсчетов состоит во вставке нулей, после чего вся последовательность
подвергается цифровой фильтрации. В АЦП используется аналоговая
передискретизация, в ЦАП - цифровая.
Передискретизация используется для упрощения конструкций АЦП
и ЦАП. По условиям задачи на входе АЦП и выходе ЦАП должен быть установлен
аналоговый фильтр с АЧХ, линейной в рабочем диапазоне и круто спадающей за его
пределами. Реализация такого аналогового фильтра весьма сложна; в то же время
при повышении частоты дискретизации вносимые ею
отражения спектра пропорционально отодвигаются от основного сигнала, и
аналоговый фильтр может иметь гораздо меньшую крутизну среза.
Другое преимущество передискретизации состоит в том, что
ошибки амплитудного квантования (шум дробления), распределенные по всему
спектру квантуемого сигнала, при повышении частоты дискретизации распределяются
по более широкой полосе частот, так что на долю основного звукового сигнала
приходится меньшее количество шума. Каждое удвоение частоты снижает уровень
шума квантования на 3 дБ; поскольку один двоичный разряд эквивалентен 6 дБ
шума, каждое учетверение частоты позволяет уменьшить разрядность
преобразователя на единицу.
Передискретизация вместе с увеличением разрядности отсчета,
интерполяцией отсчетов с повышенной точностью и выводом их на ЦАП надлежащей
разрядности позволяет несколько улучшить качество восстановления звукового
сигнала. По этой причине даже в 16-разрядных системах нередко применяются 18и
20-разрядные ЦАП с передискретизацией.
АЦП и ЦАП с передискретизацией за счет значительного
уменьшения времени преобразования могут обходиться без схемы выборки-хранения.
Каковы достоинства и недостатки цифрового звука?
Цифровое представление звука ценно
прежде всего возможностью бесконечного хранения и тиражирования без потери
качества, однако преобразование из аналоговой формы в цифровую и обратно все же
неизбежно приводит к частичной его потере. Наиболее неприятные на слух
искажения, вносимые на этапе оцифровки - гранулярный шум, возникающий при
квантовании сигнала по уровню из-за округления амплитуды до ближайшего
дискретного значения. Гранулярный шум сильно коррелирован с сигналом (зависит
от него), и представляет собой гармоники сигнала, искажения от которых наиболее
заметны в верхней части спектра. Проявления гранулярного шума и его связь
сигналом легко заметить, прослушав синусоидальный сигнал с частотой около
0.1..5 Гц - гранулярный шум в этом случае проявляется в виде изменяющегося по
высоте паразитного тона, частота которого зависит от частоты, формы и
максимальной амплитуды полезного сигнала.
Мощность гранулярного шума обратно
пропорциональна количеству ступеней квантования, однако из-за логарифмической
характеристики слуха при линейном квантовании (постоянная величина ступени) на
тихие звуки приходится меньше ступеней квантования, чем на громкие, и в
результате основная плотность нелинейных искажений приходится на область тихих
звуков. Это
приводит к ограничению динамического диапазона, который в идеале (без учета
гармонических искажений) был бы равен соотношению сигнал/шум, однако
необходимость ограничения этих искажений снижает динамический диапазон для
16-разрядного кодирования до 50-60 дБ.
При восстановлении звука из цифровой формы в аналоговую возникает проблема сглаживания ступенчатой формы
сигнала и подавления гармоник, вносимых частотой дискретизации. Из-за
неидеальности АЧХ фильтров может происходить либо недостаточное подавление этих
помех, либо избыточное ослабление полезных высокочастотных составляющих. Плохо
подавленные гармоники частоты дискретизации искажают форму аналогового сигнала
(особенно в области высоких частот), что создает впечатление
"шероховатого", "грязного" звука.
Что такое Dithering и Noise
Shaping?
Это в некотором роде искусственные методы обработки цифрового
звукового сигнала, направленные на улучшение субъективного качества звучания
ценой очевидного ухудшения его объективных характеристик (прежде всего -
коэффициента нелинейных искажений и соотношения сигнал/шум).
Dithering (сглаживание) заключается в добавлении к сигналу
небольшого количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра
(белый, розовый и т.п.). При этом заметно ослабляется
корреляция ошибок квантования с полезным сигналом ("рассеиваются"
ошибки округления) и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное
качество звучания заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в
зависимости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до
нескольких разрядов.
Noise Shaping (формовка шума) заключается в преобразовании
сильно зашумленного полезного сигнала с целью вытеснения чисто шумовых
компонент в надтональную область с выделением в нижней части спектра основной
энергии полезного сигнала. По существу, Noise Shaping является одним из видом PWM (Pulse Width
Modulation - широтно-импульсная модуляция, ШИМ) с дискретной шириной импульса.
Сигнал, обработанный этим методом, требует обязательной фильтрации с
подавлением высоких частот - это выполняется либо цифровым, либо аналоговым
способом.
Основное применение Noise Shaping находит в области
представления цифровых сигналов отсчетами меньшей разрядности с повышенной
частотой следования. В delta-sigma ЦАП для повышения частоты следования
отсчетов увеличивается в десятки раз частота дискретизации, на которой из
исходных многоразрядных отсчетов формируются серии отсчетов разрядностью 1..3.
Низкочастотная часть спектра потока этих отсчетов с высокой точностью повторяет
спектр исходного сигнала, а высокочастотная содержит в основном чистый шум.
В случае преобразования цифрового
сигнала к отсчетам более низкой разрядности на той же частоте дискретизации
Noise Shaping выполняется вместе с операцией Dithering'а. Поскольку в этом
случае повышение частоты дискретизации невозможно, вместо этого спектр
добавляемого шума формируется таким образом, чтобы его низкои среднечастотная
часть максимально точно повторяла слабую часть сигнала, заключенную в
отсекаемых младших разрядах отсчетов. Благодаря этому основная энергия шума вытесняется в верхнюю
часть рабочего диапазона частот, а в наиболее слышимой области остаются вполне
разборчивые следы слабого сигнала, который иначе оказался бы полностью
уничтоженным. Несмотря на то, что объективные искажения сохраненного таким
образом слабого сигнала очень велики, его субъективное восприятие остается
вполне приемлемым, позволяя воспринимать на слух компоненты, уровень которых
меньше младшего разряда отсчета.
По существу, Dithering и Noise Shaping являются частными
случаями одной технологии - с той разницей, что в первом случае используется
белый шум с равномерным спектром, а во втором - шум со спектром, специально
сформированным под конкретный сигнал. Данная технология приводит к
"нестандартному" использованию цифрового формата, основанному на
особенностях человеческого слуха.
Как устроены и работают АЦП и ЦАП?
В основном применяется три конструкции АЦП:
параллельные - входной сигнал одновременно сравнивается с
эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на
выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в
степени N) - 1, где N - разрядность цифрового кода (для
восьмиразрядного - 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12.
последовательного приближения - преобразователь при помощи
вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по
принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих
методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить
преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от
величины входного сигнала.
с измерением временнЫх интервалов -
широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные
принципы преобразования уровней в пропорциональные временнЫе интервалы,
длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой
частоты. Иногда называются также считающими АЦП.
Среди АЦП с измерением временнЫх интервалов преобладают
следующие три типа:
последовательного счета, или однократного интегрирования
(single-slope) - в каждом такте преобразования запускается генератор линейно
возрастающего напряжения, которое сравнивается со
входным. Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП
последовательного приближения.
двойного интегрирования (dual-slope) - в каждом такте
преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается
на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.
следящие - вариант АЦП последовательного счета, при котором
генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет
его от предыдущего значения до текущего.
Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является
Sigma-Delta, работающий на частоте Fs, значительно (в 64 и более раз)
превышающей частоту дискретизации Fd выходного цифрового сигнала. Компаратор
такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые - 0/1),
сумма которых на интервале дискретизации Fd пропорциональна величине отсчета.
Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и
понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия
отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации Fd.
Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния
ошибок квантования, которое в случае однобитового преобразователя получается
довольно высоким, применяется метод формовки шума (Noise Shaping) через схемы
обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате применения
этого метода форма спектра шума меняется так, что основная шумовая энергия
вытесняется в область выше половины частоты Fs, незначительная часть остается в
нижней половине, и практически весь шум удаляется из полосы исходного
аналогового сигнала.
ЦАП в основном строятся по двум принципам:
взвешивающие - с суммированием взвешенных токов или
напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему
двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие
ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit).
Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа.
Входной цифровой сигнал подвергается значительной (64x и более)
передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно
однобитовые) значения, обрабатываемые методом Noise Shaping (обычно реализуемым
посредством цифрового фильтра и обратной связи по ошибке). Полученные в
результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов,
которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу.
Типы ЦАП, выдающих истинно одноразрядный поток, называют
bitstream (поток битов) или PDM (Pulse Density Modulation - модуляция
плотностью импульсов). Несколько другой тип представляют ЦАП с
широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на
схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной
амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход
заряда. На этом принципе работают преобразователи MASH (Multi-stAge noise
SHaping - многостадийная формовка шума) фирмы Matsushita. В них сигнал обратной
связи по ошибке получают сразу несколько схем формовки шума, управляющих
шириной выходного импульса.
Различие ЦАП типа PDM и PWM в основном состоит в том, что
максимальная ширина импульса в PWM не равна степени двойки (например, для MASH
она равна 11).
ЦАП с передискретизацией и малым числом реальных разрядов
обладают значительно лучшей линейностью, нежели параллельные ЦАП той же
эффективной разрядности. Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой
полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочастотного шума,
основная энергия которого достаточно далеко отстоит от верхней частоты
полезного сигнала и потому эффективно подавляется даже простейшим аналоговым
фильтром.
Эффективная разрядность Delta-Sigma ЦАП обычно определяется
из параметров выходного сигнала - уровня шума и коэффициента нелинейных
искажений, характерных для параллельного ЦАП определенной разрядности. При этом
эффективная разрядность Delta-Sigma ЦАП может значительно превышать разрядность
его входного сигнала - например, ЦАП для 16-разрядного цифрового сигнала может
иметь эффективную разрядность 18, 20 и более, сглаживая исходный сигнал,
уменьшая в нем влияние ошибок квантования и тем самым
делая его более комфортным для слухового восприятия.
ЦАП являются "прямыми" устройствами, в которых
преобразование выполняется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве
своем - последовательные и более медленные устройства.
Какие интерфейсы используются для передачи цифрового звука?
S/PDIF (Sony/Philiрs Digital
Interface Format - формат цифрового интерфейса фирм Sony и Philiрs) - цифровой
интерфейс для бытовой радиоаппаратуры.
AES/EBU (Audio Engineers Society / European Broadcast Union -
общество звукоинженеров / европейское вещательное объединение) - цифровой
интерфейс для студийной радиоаппаратуры.
Оба интерфейса являются последовательными и используют
одинаковый формат сигнала и систему кодирования - самосинхронизирующийся код
BMC (Biphase-Mark Code - код с представлением единицы двойным изменением фазы),
и могут передавать сигналы в формате PCM разрядностью до 24 бит на частотах
дискретизации до 48 кГц.
Каждый отсчет сигнала передается 32-разрядным словом
(кадром), в котором 20 разрядов используются для передачи отсчета, а 12 - для
формирования синхронизирующей преамбулы, передачи дополнительной информации и
бита четности. 4 разряда из служебной группы могут использоваться для
расширения формата отсчетов до 24 разрядов.
192 последовательных кадра образуют
блок, начало которого отмечается специальным кодом преамбулы первого кадра.
Помимо бита четности, служебная часть слова содержит бит
достоверности (Validity), который должен быть нулевым для каждого достоверного
отсчета. В случае приема слова с единичным битом Validity либо с нарушением
четности в слове приемник трактует весь отсчет как ошибочный и может на выбор
либо заменить его предыдущим значением, либо интерполировать на основе
нескольких соседних достоверных отсчетов. Отсчеты,
помеченные как недостоверные, могут передавать CD-проигрыватели,
DAT-магнитофоны и другие устройства, если при считывании информации с носителя
не удалось скорректировать возникшие в процессе чтения ошибки.
В служебную часть слова входят также биты C (Channel Status -
состояние канала) и U (User Bit - бит пользователя). Последовательная цепочка
каждого из этих битов, взятых по одному из каждого кадра блока, образует
192-разрядное слово служебных битов блока, где передается информация о названии
произведения, номере дорожки, идентификаторе передающего устройства, субкодах
компакт-диска и т.п. В S/PDIF передаются параметры защиты от копирования (SCMS).
Стандартно формат кодирования предназначен для передачи однои
двухканального сигнала, однако при использовании служебных разрядов для
кодирования номера канала возможна передача многоканального сигнала.
С электрической стороны S/PDIF предусматривает соединение
коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и разъемами типа RCA
("тюльпан"), амплитуда сигнала - 0.5 В. AES/EBU предусматривает
соединение симметричным экранированным двухпроводным кабелем с трансформаторной
развязкой по интерфейсу RS-422 с амплитудой сигнала 3-10 В, разъемы -
трехконтактные типа Cannon XLR. Существуют также оптические варианты
приемопередатчиков - TosLink (пластмассовое
оптоволокно) и AT&T Link (стеклянное оптоволокно).
Какие методы используются для эффективного сжатия цифрового
звука?
В настоящее время наиболее известны
Audio MPEG, PASC и ATRAC. Все они используют так называемое
"кодирование воспринимаемого" (perceptual coding) при котором из
звукового сигнала удаляется информация, малозаметная для слуха. В
результате, несмотря на изменение формы и спектра
сигнала, его слуховое восприятие практически не меняется, а степень сжатия
оправдывает незначительное уменьшение качества. Такое кодирование относится к
методам сжатия с потерями (lossy compression), когда из сжатого сигнала уже
невозможно точно восстановить исходную волновую форму.
Приемы удаления части информации базируются на особенности
человеческого слуха, называемой маскированием: при наличии в спектре звука
выраженных пиков (преобладающих гармоник) более слабые частотные составляющие в
непосредственной близости от них слухом практически не воспринимаются (маскируются).
При кодировании весь звуковой поток разбивается на мелкие кадры, каждый из
которых преобразуется в спектральное представление и делится на ряд частотных
полос. Внутри полос происходит определение и удаление маскируемых звуков, после
чего каждый кадр подвергается адаптивному кодированию прямо в спектральной
форме. Все эти операции позволяют значительно (в несколько раз) уменьшить объем
данных при сохранении качества, приемлемого для большинства слушателей.
Каждый из описанных методов кодирования характеризуется
скоростью битового потока (bitrate), с которой сжатая информация должна
поступать в декодер при восстановлении звукового сигнала. Декодер преобразует
серию сжатых мгновенных спектров сигнала в обычную цифровую волновую форму.
Audio MPEG - группа методов сжатия звука, стандартизованная
MPEG (Moving Pictures Experts Group - экспертной группой по обработке
движущихся изображений). Методы Audio MPEG существуют в виде нескольких типов -
MPEG-1, MPEG-2 и т.д.; в настоящее время наиболее распространен тип MPEG-1.
Существует три уровня (layers) Audio MPEG-1 для сжатия
стереофонических сигналов:
1 - коэффициент сжатия 1:4 при потоке данных 384 кбит/с; 2 -
1:6..1:8 при 256..192 кбит/с; 3 - 1:10..1:12 при 128..112 кбит/с.
Минимальная скорость потока данных в каждом уровне
определяется в 32 кбит/с; указанные скорости потока позволяют сохранить
качество сигнала примерно на уровне компакт-диска.
Все три уровня используют входное спектральное преобразование
с разбиением кадра на 32 частотные полосы. Наиболее оптимальным в отношении
объема данных и качества звука признан уровень 3 со скоростью потока 128 кбит/с
и плотностью данных около 1 Мб/мин. При сжатии с более низкими скоростями
начинается принудительное ограничение полосы частот до 15-16 кГц, а также
возникают фазовые искажения каналов (эффект типа фэйзера или фленжера).
Audio MPEG используется в компьютерных звуковых системах,
CD-i/DVD, "звуковых" дисках CD-ROM, цифровом радио/телевидении и
других системах массовой передачи звука.
PASC (Precision Adaptive Sub-band Coding - точное адаптивное
внутриполосное кодирование) - частный случай Audio MPEG-1 Layer 1 со скоростью
потока 384 кбит/с (сжатие 1:4). Применяется в системе
DCC.
ATRAC (Adaptive TRansform Acoustic Coding - акустическое
кодирование адаптивным преобразованием) базируется на стереофоническом звуковом
формате с 16-разрядным квантованием и частотой дискретизации 44.1 кГц. При
сжатии каждый кадр делится на 52 частотные полосы, результирующая скорость
потока - 292 кбит/с (сжатие 1:5). Применяется в
системе MiniDisk.
Какие форматы используются для представления цифрового звука?
Понятие формата используется в двух различных смыслах. При
использовании специализированного носителя или способа записи и специальных
устройств чтения/записи в понятие формата входят как
физические характеристики носителя звука - размеры кассеты с магнитной лентой
или диском, самой ленты или диска, способ записи, параметры сигнала, принципы
кодирования и защиты от ошибок и т.п. При использовании универсального
информационного носителя широкого применения - например, компьютерного
гибкого или жесткого диска - под форматом понимают только способ
кодирования цифрового сигнала, особенности расположения битов и слов и
структуру служебной информации; вся "низкоуровневая" часть,
относящаяся непосредственно к работе с носителем, в этом случае остается в
ведении компьютера и его операционной системы.
Из специализированных форматов и носителей цифрового звука в
настоящее время наиболее известны следующие:
CD (Compact Disk - компакт-диск) - односторонний
пластмассовый диск с оптической лазерной записью и считыванием, диаметром 120
или 90 мм, вмещающий максимум 74 минуты стереозвучания с частотой дискретизации
44.1 кГц и 16-разрядным линейным квантованием. Система предложена фирмами Sony
и Philips и носит название CD-DA (Compact Disk - Digital Audio). Для защиты от
ошибок используется двойной код Рида-Соломона с перекрестным перемежением
(Cross Interleaved Reed-Solomon Code, CIRC) и модуляция кодом Хэмминга 8-14 (Eight-to-Fourteen
Modulation, EFM). Различаются штампованные (CD) однократно записываемые (CD-R)
и многократно перезаписываемые (CD-RW) компакт-диски.
ИКМ-приставка (PCM deck) - система для преобразования
цифрового звукового сигнала в псевдовидеосигнал, совместимый
с популярными видеоформатами (NTSC, PAL/SECAM), и обратно. ИКМ-приставки
применяются в сочетании с бытовыми (VHS) или студийными (S-VHS, Beta, U-Matic)
видеомагнитофонами, используя их в качестве устройств чтения/записи.
Устройства работают с 16-разрядным линейным квантованием на частотах
дискретизации 44.056 кГц (NTSC) и 44.1 кГц (PAL/SECAM), и позволяют записывать
двухили четырехканальную цифровую сигналограмму. По сути, такая приставка
представляет собой модем (модулятор-демодулятор) для видеосигнала.
S-DAT (Stationary head Digital Audio Tape - цифровая звуковая
лента с неподвижной головкой) - система наподобие обычного кассетного
магнитофона, запись и чтение в которой ведутся блоком неподвижных
тонкопленочных головок на ленте шириной 3.81 мм в двухсторонней кассете
размером 86 x 55.5 x 9.5 мм. Реализует 16-разрядную запись двух или четырех
каналов на частотах 32, 44.1 и 48 кГц.
R-DAT (Rotary head Digital Audio Tape - цифровая звуковая
лента с вращающейся головкой) - система наподобие видеомагнитофона с
поперечно-наклонной записью вращающимися головками. Наиболее популярный формат
ленточной цифровой записи, системы R-DAT часто обозначаются просто DAT. В R-DAT
используется кассета размером 73 x 54 x 10.5 мм, с лентой шириной 3.81 мм, а
сама система кассеты и магнитофона очень похожа на типовой видеомагнитофон.
Базовая скорость движения ленты - 8.15 мм/с, скорость
вращения блока головок - 2000 об/мин. R-DAT работает с двухканальным (в ряде
моделей - четырехканальным) сигналом на частотах дискретизации 44.1 и 48 кГц с
16-разрядном линейным квантованием, и 32 кГц - с 12-разрядным нелинейным. Для
защиты от ошибок используется двойной код Рида-Соломона и модуляция кодом 8-10.
Емкость кассеты - 80..240 минут в зависимости от скорости и длины ленты. Бытовые
DAT-магнитофоны обычно оснащены системой защиты от незаконного копирования
фонограмм, не допускающей записи с аналогового входа на частоте 44.1 кГц, а
также прямого цифрового копирования при наличии запрещающих кодов SCMS (Serial
Code Managenent System). Студийные магнитофоны таких ограничений не имеют.
DASH (Digital Audio Stationary Head) - система с записью на
магнитную ленту шириной 6.3 и 12.7 мм в продольном направлении неподвижными
головками. Скорость движения ленты - 19.05, 38.1, 76.2 см/с. Реализует
16-разрядную запись с частотами дискретизации 44.056, 44.1 и 48 кГц от 2 до 48
каналов.
ADAT (Alesis DAT) - собственная (proprietary) система
восьмиканальной записи звука на видеокассету типа S-VHS, разработанная фирмой
Alesis. Использует 16-разрядное линейное квантование на частоте 48 кГц, емкость
кассеты составляет до 60 минут на каждый канал. Магнитофоны ADAT допускают
каскадное соединение, в результате чего может быть собрана система
128-канальной синхронной записи. Для ADAT выпускается множество различных
интерфейсных блоков для сопряжения с DAT, CD, MIDI и т.п. Модель Meridian (ADAT
Type II) использует 20-разрядное квантование на частотах 44.1 и 48 кГц.
DCC (Digital Compact Cassette - цифровая компакт-кассета) -
бытовая система записи в продольном направлении на стандартную
компакт-кассету, разработанная Philips. Скорость движения ленты - 4.76 см/с,
максимальное время звучания такое же, как при аналоговой записи. Частоты
дискретизации - 32, 44.1, 48 кГц, разрешение - 16/18 разрядов (метод сжатия PASC).
На DCC-магнитофонах могут воспроизводиться (но не записываться) обычные
аналоговые компакт-кассеты. В настоящее время система DCC признана
неперспективной.
MD (MiniDisk) - бытовая и концертная система записи на
магнитооптический диск, разработанная Sony. Диск диаметром 64 мм, помещенный в
пластмассовый футляр размером 70 x 67.5 x 5 мм, вмещает 74 минуты (60 в ранних
версиях) стереофонического звучания. При обмене со
внешними устройствами используется формат 16-разрядных отсчетов на частоте 44.1
кГц, однако на сам диск сигнал записывается после сжатия методом ATRAC.
Из универсальных компьютерных форматов наиболее популярны
следующие:
Microsoft RIFF/WAVE (Resource Interchange File Format/Wave -
формат файлов передачи ресурсов/волновая форма) - стандартный формат звуковых
файлов в компьютерах IBM PC. Файл этого формата содержит заголовок, описывающий
общие параметры файла, и один или более фрагментов (chunks), каждый из которых представляет
собой волновую форму или вспомогательную информацию - режимы и порядок
воспроизведения, пометки, названия и координаты участков волны и т.п. Файлы
этого формата имеют расширение .WAV.
Apple AIFF (Audio Interchange File Format - формат файла обмена
звуком) - стандартный тип звукового файла в системах Apple Macintosh. Похож на RIFF и также позволяет размещать вместе со звуковой
волной дополнительную информацию, в частности - самплы WaveTable-инструментов
вместе с параметрами синтезатора.
Формат "чистой оцифровки" RAW, не содержащий
заголовка и представляющий собой только последовательность отсчетов звуковой
волны. Обычно оцифровка хранится в 16-разрядном знаковом (signed) формате,
когда первыми в каждой паре идут отсчеты левого канала, хотя могут быть и
исключения.
Как выполняется обработка цифрового звука?
Цифровой звук обрабатывается посредством математических
операций, применяемых к отдельным отсчетам сигнала, либо к группам отсчетов
различной длины. Выполняемые математические операции могут либо имитировать
работу традиционных аналоговых средств обработки (микширование двух сигналов -
сложение, усиление/ослабление сигнала - умножение на константу, модуляция -
умножение на функцию и т.п.), либо использовать альтернативные методы -
например, разложение сигнала в спектр (ряд Фурье), коррекция отдельных
частотных составляющих, затем обратная "сборка" сигнала из спектра.
Обработка цифровых сигналов подразделяется на линейную (в реальном времени, над "живым"
сигналом) и нелинейную - над предварительно записанным сигналом. Линейная
обработка требует достаточного быстродействия вычислительной системы
(процессора); в ряде случаев невозможно совмещение требуемого быстродействия и
качества, и тогда используется упрощенная обработка с пониженным качеством.
Нелинейная обработка никак не ограничена во времени, поэтому для нее могут быть
использованы вычислительные средства любой мощности, а время обработки,
особенно с высоким качеством, может достигать нескольких минут и даже часов.
Для обработки применяются как универсальные процессоры общего
назначения - Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC - так и
специализированные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor,
DSP) Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx, Analog Devices ADSP-xxxx и др.
Разница между универсальным процессором и DSP состоит в том,
что первый ориентирован на широкий класс задач - научных, экономических,
логических, игровых и т.п., и содержит большой набор команд общего назначения,
в котором преобладают обычные математические и логические операции. DSP
специально ориентированы на обработку сигналов и содержат наборы специфический операций - сложение с ограничением,
перемножение векторов, вычисление математического ряда и т.п. Реализация даже несложной обработки звука на универсальном
процессоре требует значительного быстродействия и далеко не всегда возможна в
реальном времени, в то время как даже простые DSP нередко справляются в
реальном времени с относительно сложной обработкой, а мощные DSP способны
выполнять качественную спектральную обработку сразу нескольких сигналов.
В силу своей специализации DSP редко применяются
самостоятельно - чаще всего устройство обработки имеет универсальный процессор
средней мощности для управления всем устройством, приема/передачи информации,
взаимодействия с пользователем, и один или несколько DSP - собственно для
обработки звукового сигнала. Например, для реализации надежной и быстрой
обработки сигналов в компьютерных системах применяют специализированные платы с
DSP, через которые пропускается обрабатываемый сигнал, в то время как
центральному процессору компьютера остаются лишь функции управления и передачи.
Что представляет собой цифровая звуковая рабочая станция?
Digital Audio Workstation (DAW) представляет собой
специализированную или универсальную компьютерную систему, способную выполнять
запись, хранение, воспроизведение и обработку цифрового звука.
Специализированные системы ориентированы исключительно на работу с цифровым
звуком и выпускаются в законченном исполнении, допускающем лишь ограниченное
расширение, либо нерасширяемые вообще. Универсальные системы представляют собой
обычный персональный компьютер, снабженный средствами для ввода/вывода звука
(ЦАП/АЦП и/или цифровые интерфейсы) и набором программ для его записи, воспроизведения
и обработки. Кроме этого, станция может содержать и другие компоненты -
например, аппаратные модули цифровой обработки, музыкальные синтезаторы,
записывающие CD-приводы и т.п.
Поскольку любая компьютерная система является сильным
источником высокочастотных помех, возникают определенные проблемы в достижении
профессионального качества звука при использовании встроенных АЦП/ЦАП. В таких
случаях предпочтительно использование внешних модулей АЦП/ЦАП, выдающих и
получающих цифровую информацию в реальном времени через универсальные или
собственные цифровые интерфейсы.
Какие жесткие диски используются в рабочих станциях?
Большинство специализированных рабочих станций используют для
хранения звука жесткие диски с интерфейсом SCSI (Small Computer System
Interface - интерфейс малых компьютерных систем), ставшие универсальным
стандартом - любая популярная компьютерная система имеет возможность
подключения этих дисков. Достоинствами SCSI является универсальность среди всех
компьютерных систем, возможность подключения до семи устройств (любых, не
только дисковых) к одному контроллеру, хороший арбитраж при конкуренции
устройств, интеллектуальность каждого устройства, более высокое общее качество
исполнения, возможность использования интерфейса для прямой связи между двумя
станциями. К недостаткам SCSI следует отнести высокую стоимость интерфейсов и
дисков и ограниченный спектр выпускаемых моделей.
В компьютерах типа IBM PC более популярны жесткие диски с
интерфейсом IDE (Integrated Drive Electronics - электроника, встроенная в
накопитель), не получившие распространения в других системах. Достоинства
IDE-дисков - простота, хорошая производительность, не уступающая большинству
SCSI-дисков, а в ряде случаев - превосходящая их, низкая стоимость, массовый
выпуск, широкий спектр моделей. Недостатки - низкая производительность и
надежность моделей низших классов, возможность подключения только двух
накопителей к одному контроллеру, невозможность прямого соединения двух
станций, часто худшая поддержка драйверами операционных систем.