Geum.ru

Вистории бытовой развлекательной электроники имеется несколько вех, знаменующих радикальные, поистине революционные ее изменения

Вид материалаДокументы

Содержание


Основы аналого-цифрового преобразования
Частота дискретизации
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6

Основы аналого-цифрового преобразования


Чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровую форму его через регулярные промежутки времени необходимо дискретизировать, т.е. величина отдельных выборок измеряется и запоминается, как целое число единичных шагов (ступенек). Точность преобразования определяется количеством бит, а также, точностью следования импульсов во времени. Округленная ошибка замера есть разница между аналоговой величиной и следующим целым числом. Проявляются эти ошибки, как шум квантования. В процессе преобразщования в цифровую форму аналоговый сигнал ухудшается дважды. Во-первых, в результате дискретизации синусоидальный сигнал приобретает ступенчатую форму, что само по себе не естественно и не точно отображает ход оригинальной кривой. Во-вторых, в схеме применяется крутая фильтрация, что также не натурально. Поэтому частоту дискретизации преобразователя увеличивают, например, в четыре раза. Далее, чтобы уменьшить влияние искажений из-за ступенчатой формы квантования, перед квантованием к полезному сигналу подмешивается шумовой сигнал, так называемый dither-сигнал (белый шум).

В сигнале без dither`а ошибки квантования проявляются только на определенных частотах, после фильтрации и округления в его спектре возникают дополнительные высшие гармоники. А при наличии dither`а ошибки квантования выглядят как шум. Таким образом получается поразительный эффект улучшения звучания за счет того, что гармонические искажения спектра полностью исчезают и их заменяет более приятный на слух белый шум.

Какая же разрешающая способность цифрового преобразования необходима для достижения действительно высокого качества звучания? Известно, что частота дискретизации определяет наивысшую частоту передаваетого сигнала. Для CD принята частота дискретизации 44,1кГц и наивысшая частота сигнала округленно равна 20кГц. От разрядности кодирования зависит разрешающая способность передачи аналогового сигнала. Так, при 16 битах исходная кривая приобретает ступенчатую форму и содержит точно 65536 ступенек. Т.к. DVD-стандарт предусматривает запись PCM-звука с очень высоким качеством, что для этого всесто частоты 48кГц используется частота дискретизации 96кГц, что обеспечивает передачу полосы звуковых частот округленно до 44кГц. При применении для кодирования 20 или 24 бит можно получить 1048576 или даже 16777216 ступеней. А между тем эти технические параметры влияют на звучание самым непосредственным образом. Отношение сигнал/шум увеличивается от 96дб для CD (16 бит), до 120дб (20 бит, 96кГц) или до совершенно невероятной величины 144дб (24 бита).

Первые плейеры для дисков супервысокого класса качества звучания были выпущены в Японии и США. Эти модели уже поддерживают стандарт 20бит/96кГц. Диски, записанные в таком стандарте, теперь имеют свое название: DVD-Audio. Стандарт DVD-Audio дает возможность получить отчетливое улучшение звука против сегодняшних норм для звуковых CD. Сейчас многие студии звукозаписи работают с 20-разрязным кодированием. А удвоение частоты дискретизации до 96кГц позволяет к тому же передать частоту далеко за пределами слышимого диапазона. Поэтому некоторые производители уже теперь объявляют этот формат как Hi-Fi нормы на будущее. Есть еще одно приемущество такого формата: благодаря тому, что протребность в передаче цифр здесь намного меньше, чем для DVD-Video, открывается возможность приблизить диаметр диска к 8см, что позволило бы переносные плейеры сделать еще меньше и легче. А при 24бит/96кГц можно вместить в DVD-Audio до одного часа музыки высочайшего качества.


Direct-Stream-Digital (прямой цифровой поток)

В 1997г. фирмы Philips и Sony совместно разработали альтернативную так называемую Bitstream-технологию, или по другому Direct-Stream-Digital (прямой цифровой поток). Это особая форма цифрового сигнала, которая отличается в основе от PCM-метода. При PCM выборки сигнала, следующие друг за другом через жестко установленные равные временные интервалы, выражаются действительными величинами, соответствующими кривой сигнала в данный момент времени и записываются в цифровой форме. Причем величины выборок выражаются совокупностью определенного количества бит (между 8 и 24). В Bitstream-способе, напротив, один бит следует за другим и величины 0 и 1 указывают только на то, в каком направлении изменился ход кривой (в большую или меньшую сторону). Причем частота следования битов (частота дискретизации сигнала) принимается значительно более высокой, чем для CD. Это обеспечивает ощутимое на слух повышение точности передачи динамики, т.е. разницы между громкими и тихими местами музыки. Практически 64-кратная по стравнению с CD величина частоты дискретизации представляется изобретателям достаточной. При этом сигнал измеряется не 44100 раз в 1сек, а 2822400 раз. Это значит, что за 1сек передается более 2,8млн. бит, что соответствует скорости предачи потока информации - 2,8224Мбит/с на канал. Канал CD использует только четверть этой величины.

Динамическим диапазоном до 120дб сейчас уже никого не удивишь, он обычен и при технологии PCM, но это величина становится сенсационной при плоской частотной характеристике до 100кГц, которая достигается при DSD. Это качество превосходит даже лучшие аналоговые студийные магнитофоны, которые работают на полдюймовой ленте со скоростью 30"(76,2см/c). Привлекательность идеи DSD обуславливается двумя основными обстоятельствами. Во-первых, в технике на основе очень высокой частоты дискретизации передаваемого сигнала единичные шаги PCM-отсчетов ускользающе малы, поэтому даже на самых низких уровнях передачи ступенчатость преобразования не воспринимается слушателем в виде характерной помехи (шумов квантования). Во-вторых, Bitstream-запись - это идеальный материал для перехода на любой из других видов цифровых стандартов: например, для перехода от стандарта DSD к частоте CD(44,1кГц) нужно просто произвести деление Bitstream-потока на 64. Подобным же образом, простыми арифметическими действиями можно перейти и к другим существующим в цифровой технике форматам (См. таблицу).


Bitstream
Вычислительные операции
Частота дискретизации
Среда

2,8224МГц
/64
44,1кГц
CD

2,8224МГц
/32
88,2кГц
High Sampling Audio

2,8224МГц
x5/441
32кГц
DAT,Digital-VCR,SAT-TV

2,8224МГц
x5/294
48кГц
DAT,Digital-VCR,SAT-TV

2,8224МГц
x5/147
95кГц
High Sampling Audio

2,8224МГц
x5/143, x25/56







Чисто технические соображения, а в какой-то мере престиж фирм и экономические интересы послужили основанием к тому, что Philips и Sony предложили на основе технологии DSD альтернативный формат записи звуковых дисков суперкачества, который отличается от поддержанного еще в 1988г. практически большинством производителей бытовой электроники формата DVD-Audio с импульсно-кодовой модуляцией (20бит/96кГц). Диски, выпущенные с применением формата DSD, появились на рынке под собственным наименованием Super Audio CD (SACD). Разумеется, такой разнобой в форматах не делает жизнь производителей аппаратуры да и самого потребителя музыкальной продукции легче...

Оба формата практически неотличимы по качеству звучания на слух даже для самого профессионального слушателя и обеспечивают практически неотличимое звучние от оригинала на любом музыкальном материале. Этим они заметно превосходят звучание CD.