Сучасні методи позиціонування і стиснення звуку

Зміст

Введення
Цифрове подання звукових сигналів
- Відмінності цифрового представлення сигналів від аналогового
- Способи представлення звуку в цифровому вигляді
- АЦП і ЦАП
- Пристрій АЦП і ЦАП
- Передіскретізація
- Переваги і недоліки цифрового звуку
- Інтерфейси, які використовуються для передачі цифрового звуку
- Обробка цифрового звуку
- Методи, які використовуються для обробки цифрового звуку
- Звукові ефекти
- До питання про зберігання та передачі цифрового звуку
- До питання про збереження якості сигналу при цифровій обробці
- До питання про збереження якості сигналу при цифровому перетворенні форматів
- Комп'ютерні програми, які використовуються для обробки звуку
- Джіттер
Специфікація стандарту MIDI, його реалізація на комп'ютері
- MIDI (цифровий інтерфейс музичних інструментів)
- Апаратна специфікація MIDI
- Програмна специфікація MIDI
- Методи, які використовуються для синтезу звуку
- Подстандарти GM, GS, XG
- MPU-401 і MT-32
- Ефекти Reverb і Chorus
- Еффеути Polyphony і Multi-timbral
- MIDI-клавіатура
Звукові карти
- Способи отримання звуку на IBM PC
- Компоненти звукової карти
- Ефект-процесор
- Характеристики звукової карти
- Параметри деяких поділений звукових карт
- Порівняння Creative Labs Sound Blaster Live! і Diamond Monster MX300 (на
Aureal Vortex2)
- Деякі аспекти якісного відтворення цифрового звуку
- Наведення від апаратури комп'ютера на карту
- Цифрова робоча станція
Огляд сучасних технологій позиціонування звуку в просторі
- У баченні компанії Sensaura
- У баченні компанії Aureal
- У баченні компанії EAR
- У баченні компанії Creative
- У баченні компанії QSound
Огляд застосовуваних форматів зберігання цифрових аудіоданих без і з втратоюякості
- Методи, які використовуються для ефективного стиснення цифрового звуку
- Формати, що використовуються для представлення цифрового звуку
- Формати, що використовуються для представлення звуку та музики
- MPEG: загальна інформація
- Звук у MPEG
- Що таке MP3?
- Опис процесу кодування
- Декодування MP3
- Найвідоміші плеєри
- Dolby Digital - загальна інформація
- TvinVQ - VQF
MP3 - час прощатися з ПК
Висновок
Список використовуваних матеріалів

Введення

Комп'ютер - від англійського "compute" - обчислювати. Тобто, кажучи по -російською, - всього-на-всього обчислювач. І колись, давним-давно, цевідповідало застосування комп'ютерів. Їх використовували англійці длязлому кодів і шифрів радіопередач Німеччини під час ВМВ. Їх застосовують ідля прямо протилежній функції - кодування і шифрування переданоїінформації. Вони застосовувалися для розрахунку складних траєкторій польоту першого
(та й останніх) штучних супутників Землі та інших планет. Ііснує ще велика кількість гілок і галузей науки і промисловості, вяких неможливо обійтися без обчислювальних потужностей комп'ютерів.
Однак, спочатку електронну обчислювальну машину завжди намагалисявикористовувати не тільки за прямим призначенням, але й трохи по іншому.
Спочатку прості хрестики-нолики і морський бій. Потім, коли у машиниз'явився дисплей, її навчили малювати різні «картинки» з символів.
Далі, до рухаються по екрану різних фігурок, залишалося зовсімнебагато. Зараз вже ігри без графіки мало кому потрібні, крім фанів. Але ...
Придивімося до цього процесу трохи уважніше: «символи-> картинки ззначків-> статичні картинки-> повномасштабне відео ». Комп'ютери ставалименше, надійніше, довговічніші, швидше ...

Як бачимо, шлях проведений чималий, і все-таки - це еволюція,розтяглася на півстоліття. Масштабне ж подія, що відбулася близько 10 роківтому назвати іншим словом, як революція, навряд чи можна. На персональнийкомп'ютер прийшов звук. Відлуння цієї події продовжують стрясатикомп'ютерному світ до сих пір. Звук дозволив зробити комп'ютер зприналежності рідкісного бізнесмена в сувору необхідність для кожного. Вінзробив фурор в індустрії виробництва музичної апаратури ізвукозапису. Раніше було потрібно мати програвач вінілових дисків,компакт-касет, компакт-дисків та іншу техніку. Тепер досить одного --комп'ютера. Він вже грає, співає і навіть оновлену версію рецептаполуничного пирога з джемом може з інтернету скачати і переслати СВСВЧП
(Понад Інтелектуально Понад високочастотного пічки). Тільки от кави покине варить. Але і це, я думаю, скоро хто-небудь виправить.

Комп'ютер потіснив такі традиційні істонікі доходу та розваг якказино, кіно, театр. Залишилося тільки навчити комп'ютер працювати і робитиприбирання в квартирі, і все ... Він дійсно буде «скрізь», і людина незможе без нього обходитися. А ось комп'ютер без людини?

І все лише через що? З-за маленькою хустки з декількома копійчанимирадіодеталями, кошмарними шумами і величезними амбіціями. Sound Blaster таксказати, версії 1.0. Виробництва фірми Creative Labs з далекого
Сінгапуру. Не вона першою випустила звукову карту, але вона змоглапопуляризувати цю ідею в масах. Створити ім'я та завоювати ринок.
Словосполучення «Sound Blaster» стало синонімом «звукової карти». І теперкомп'ютер без «звуку» - це не комп'ютер. Як же так! Адже він зможепрограти при вході в «Windows» бравурні «Та-да!!!» І все - ком'ютерастає даремною купою нікому не потрібного мотлоху.

Мені здається, що все вищенаведене повинно трохи зацікавити.
Адже саме поява звуку стало першим каменем у тій лавини, якаобрушується зараз на голови нещасних споживачів послуг і товарів зсфери високих технологій. «Повна 3Д пришвидшення» кричать одні, «Приголомшливеякість відтворення ДВД »заявляють третє,« Тільки у нас - самийсправжній тривимірний звук »вихваляються третьою. І так - до безкінечності.

Ось чому я вибрав як теми для курсової цей напрямок. Вонодосить велике й повно обхопити його не дозволяє ні скромний обсягпояснювальної записки, ні потрібний час. Тому я постарався відповісти напоставлені питання, використовуючи свій невеликий досвід в роботі на «залізному»
(апаратному) забезпечення комп'ютерів.

Цифрове подання звукових сигналів

Відмінності цифрового представлення сигналів від аналогового

Традиційне аналогове подання сигналів засноване на подобі
(аналогічності) електричних сигналів (змін струму та напруги)представленим ними вихідним сигналам (звуковому тиску, температури,швидкості і т.п.), а також подібності форм електричних сигналів в різнихточках підсилювального або передавального тракту. Форма електричної кривої,описує (також кажуть - переносить) вихідний сигнал, максимальнонаближена до форми кривої цього сигналу.

Таке уявлення найбільш точно, проте найменше викривлення форминесучого електричного сигналу неминуче спричинить за собою таке жспотворення форми та сигналу переносимого. У термінах теорії інформації,кількість інформації в несучому сигналі в точності дорівнює кількостіінформації в сигналі вихідному, і електричне подання не міститьнадмірності, яка могла б захистити переносимий сигнал від спотворень призберігання, передачі та підсиленні.

Цифрове подання електричних сигналів покликане внести до нихнадмірність, що охороняє від дії паразитних перешкод. Для цього нащо несе електричний сигнал накладаються серйозні обмеження - йогоамплітуда може приймати тільки два граничних значення - 0 і 1.

Вся зона можливих амплітуд в цьому випадку ділиться на три зони: нижняпредставляє нульові значення, верхня - поодинокі, а проміжнає забороненою - всередину неї можуть потрапляти тільки перешкоди. Такимчином, будь-яка перешкода, амплітуда якої менше половини амплітуди несучоїсигналу, не впливає на правильність передачі значень 0 і 1.
Перешкоди з більшою амплітудою також не впливають, якщо тривалістьімпульсу перешкоди відчутно менша тривалості інформаційного імпульсу, а навході приймача встановлений фільтр імпульсних перешкод.

Сформований таким чином цифровий сигнал може переносити будь-якукорисну інформацію, яка закодована у вигляді послідовності бітів --нулів та одиниць; окремим випадком такої інформації є електричні тазвукові сигнали. Тут кількість інформації в несучому цифровому сигналізначно більше, ніж в кодованому вихідному, так що несе сигналмає певну надмірність щодо початкового, і будь-які спотворенняформи кривої несучого сигналу, при яких ще зберігається здатністьприймача правильно розрізняти нулі й одиниці, не впливають на достовірністьщо передається цим сигналом інформації. Однак у випадку впливузначних перешкод форма сигналу може спотворюватися настільки, що точнапередача переносимої інформації стає неможливою - в ній з'являютьсяпомилки, які при простому способі кодування приймач не зможе нетільки виправити, але і виявити. Для ще більшого підвищення стійкостіцифрового сигналу до перешкод і спотворень застосовується цифрове надлишковекодування двох типів: перевірочні (EDC - Error Detection Code,виявляє помилку код) та коригуючі (ECC - Error Correction Code,виправлення помилку код) коди. Цифрове кодування полягає в простомудодаванні до вихідної інформації додаткових бітів та/або перетвореннявихідної бітової ланцюжка в ланцюжок більшої довжини та іншої структури. EDCдозволяє просто виявити факт помилки - спотворення або випадання корисноїабо появу помилкової цифри, проте переносима інформація в цьому випадкутакож спотворюється; ECC дозволяє відразу ж виправляти виявлені помилки,зберігаючи переносити інформацію незмінною. Для зручності і надійностіпередану інформацію розбивають на блоки (кадри), кожен з якихзабезпечується власним набором цих кодів.

Кожен вид EDC/ECC має свою межу здатності виявляти івиправляти помилки, за яким знову починаються невиявлені помилки іспотворення переносимої інформації. Збільшення обсягу EDC/ECC щодообсягу вихідної інформації в загальному випадку підвищує яка виявляє ікоригувальну здатність цих кодів.

Як EDC популярний циклічний надлишковий код CRC (Cyclic
Redundancy Check), суть якого полягає в складному перемішуванні вихідноїінформації в блоці і формуванню коротких двійкових слів, розряди якихперебувають у сильній перехресної залежності від кожного біта блоку.
Зміна навіть одного біта в блоці викликає значну змінуобчисленого по ньому CRC, і ймовірність такого спотворення бітів, при якому
CRC не зміниться, исчезающе мала навіть при коротких (одиниці відсотків віддовжини блоку) словах CRC. Як ECC використовуються коди Хеммінга
(Hamming) і Ріда-Соломона (Reed-Solomon), які також містять у собі іфункції EDC.

Інформаційна надмірність несучого цифрового сигналу призводить дозначного (на порядок і більше) розширення смуги частот, необхідної дляйого успішної передачі, в порівнянні з передачею вихідного сигналу ваналогової формі. Крім власне інформаційної надмірності, дорозширення смуги призводить необхідність збереження досить крутихфронтів цифрових імпульсів.

Крім цілей помехозащіти, інформація в цифровому сигналі може бутипіддана також лінійному або канального кодування, завдання якого --оптимізувати електричні параметри сигналу (смугу частот, постійнускладову, мінімальну та максимальну кількість нульових/одиничнихімпульсів в серії і т.п.) під характеристики реального каналу передачі абозапису сигналу.

Отриманий що несе сигнал, у свою чергу, також є звичайнимелектричним сигналом, і до нього застосовні будь-які операції з такимисигналами - передача по кабелю, посилення, фільтрування, модуляція, записна магнітний, оптичний або інший носій і т.п. Єдинимобмеженням є збереження інформаційного вмісту - так, щобпри подальшому аналізі можна було однозначно виділити і декоді-роватьпереносити інформацію, а з неї - вихідний сигнал.

Способи представлення звуку в цифровому вигляді

Вихідна форма звукового сигналу - безперервне зміна амплітуди учасу - видається в цифровій формі з допомогою "перехресноїдискретизації "- за часом і за рівнем.

Згідно теоремі Котельникова, будь-який безперервний процес з обмеженимспектром може бути повністю описаний дискретної послідовністю йогомиттєвих значень, що слідують з частотою, як мінімум удвічі перевищуєчастоту найвищої гармоніки процесу; частота Fd вибірки миттєвихзначень (відліків) називається частотою дискретизації.

З теореми випливає, що сигнал з частотою Fa може бути успішнодіскретізірован за часом на частоті 2Fa тільки в тому випадку, якщо вінє чистої синусоїдою, бо будь-яке відхилення від синусоїдальної формипризводить до виходу спектру за межі частоти Fa. Таким чином, длятимчасової дискретизації довільного звукового сигналу (звичайно має,як відомо, плавно спадаючий спектр), необхідний або вибір частотидискретизації із запасом, або примусове обмеження спектру вхідногосигналу нижче половини частоти дискретизації.

Одночасно з тимчасової дискретизацією виконується амплітудна --вимірювання миттєвих значень амплітуди та їх представлення у вигляді числовихвеличин з певною точністю. Точність вимірювання (двійкова розрядність
N одержуваного дискретного значення) визначає співвідношення сигнал/шум ідинамічний діапазон сигналу (теоретично це - взаємно-зворотнівеличини, однак будь-який реальний тракт має також і власний рівеньшумів і перешкод).

Отриманий потік чисел (серій двійкових цифр), що описує звуковийсигнал, називають імпу?? ьсно-кодовою модуляцією або ИКМ (Pulse Code
Modulation, PCM), так як кожен імпульс діскретізованного за часомсигналу видається власним цифровим кодом.

Найчастіше застосовують лінійне квантування, коли числове значеннявідліку пропорційно амплітуді сигналу. Через логарифмічної природислуху більш доцільним було б логарифмічні квантування, количислове значення пропорційно величині сигналу в децибелах, однак цепов'язане з труднощами чисто технічного характеру.

Тимчасова дискретизація і амплітудне квантування сигналу неминучевносять в сигнал шумові викривлення, рівень яких прийнято оцінювати заформулою 6N + 10lg (Fдіскр/2Fмакс) + C (дБ), де константа C варіюється длярізних типів сигналів: для чистої синусоїди це 1.7 дБ, для звуковихсигналів - від -15 до 2 дБ. Звідси видно, що до зниження шумів у робочійсмузі частот 0 .. Fмакс призводить не тільки збільшення розрядності відліку,а й підвищення частоти дискретизації щодо 2Fмакс, оскільки шумиквантування "розмазуються" по всій смузі аж до частоти дискретизації,а звукова інформація займає тільки нижню частину цієї смуги.

У більшості сучасних цифрових звукових систем використовуютьсястандартні частоти дискретизації 44.1 і 48 кГц, однак частотний діапазонсигналу зазвичай обмежується біля 20 кГц, щоб залишити цю запасу повідношенню до теоретичної межі. Також найбільш розповсюджена 16 --розрядне квантування за рівнем, що дає граничне співвідношення сигнал/шумблизько 98 дБ. У студійної апаратури використовуються більш високі дозволи -
18 -, 20 - і 24-розрядне квантування при частотах дискретизації 56, 96 і 192кГц. Це робиться для того, щоб зберегти вищі гармоніки звуковогосигналу, які безпосередньо не сприймаються слухом, але впливають наформування загальної звукової картини.

Для оцифровки більш вузькосмугових і менш якісних сигналів частотаі розрядність дискретизації можуть знижуватися; наприклад, в телефонних лініяхзастосовується 7 - або 8-розрядна оцифровка з частотами 8 .. 12 кГц.

Представлення аналогового сигналу в цифровому вигляді називається такожімпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ, PCM - Pulse Code Modulation), тому щосигнал представляється у вигляді серії імпульсів постійної частоти (тимчасовадискретизація), амплітуда яких передається цифровим кодом (амплітуднадискретизація). PCM-потік може бути як паралельним, коли всі бітикожного відліку передаються одночасно кількома лініями з частотоюдискретизації, так і послідовним, коли біти передаються один за однимз більш високою частотою по одній лінії.

Сам цифровий звук та пов'язані речі прийнято позначати загальнимтерміном Digital Audio; аналогова і цифрова частини звукової системипозначаються термінами Analog Domain і Digital Domain.

АЦП і ЦАП

аналогово-цифрового і цифро-аналоговий перетворювачі. Перший перетворюєаналоговий сигнал у цифрове значення амплітуди, друга виконує зворотнеперетворення. В англомовній літературі застосовуються терміни ADC і DAC, асуміщений перетворювач називають codec (coder-decoder).

Принцип роботи АЦП полягає у вимірюванні рівня вхідного сигналу та видачурезультату в цифровій формі. У результаті роботи АЦП безперервний аналоговийсигнал перетворюється на імпульсний, з одночасним вимірюванням амплітудикожного імпульсу. ЦАП одержує на вході цифрове значення амплітуди івидає на виході імпульси напруги або струму потрібної величини, якірозташований за ним інтегратор (аналоговий фільтр) перетворює набезперервний аналоговий сигнал.

Для правильної роботи АЦП вхідний сигнал не повинен змінюватися протягомчасу перетворення, для чого на його вході звичайно міститься схемавибірки-зберігання, що фіксує миттєвий рівень сигналу і зберігає йогопротягом усього часу перетворення. На виході ЦАП також можевстановлюватися подібна схема, переважна вплив перехідних процесівусередині ЦАП на параметри вихідного сигналу.

При тимчасової дискретизації спектр отриманого імпульсного сигналу всвоїй нижній частині 0 .. Fa повторює спектр вихідного сигналу, а вищемістить ряд відбитків (aliases, дзеркальних спектрів), які розташованінавколо частоти дискретизації Fd та її гармонік (бічні смуги). При цьомуперший відображення спектру від частоти Fd у разі Fd = 2Fa розташовуєтьсябезпосередньо за смугою початкового сигналу, і вимагає для його придушенняаналогового фільтра (anti-alias filter) з високою крутизною зрізу. У АЦПцей фільтр встановлюється на вході, щоб виключити перекриття спектрів іїх інтерференцію, а в ЦАП - на виході, щоб придушити у вихідному сигналінадтональние перешкоди, внесені тимчасової дискретизацією.

Пристрій АЦП і ЦАП

В основному застосовується три конструкції АЦП: паралельні - вхіднийсигнал одночасно порівнюється з еталонними рівнями набором схемпорівняння (компараторів), які формують на виході двійкове значення. Утакому АЦП кількість компараторів одно (2 в ступені N) - 1, де N --розрядність цифрового коду (для восьмирозрядного - 255), що не дозволяєнарощувати розрядність понад 10-12.

послідовного наближення - перетворювач за допомогоюдопоміжного ЦАП генерує еталонний сигнал, порівнюваний із вхідним.
Еталонний сигнал послідовно змінюється за принципом половинного поділу
(дихотомії), який використовується в багатьох методах сходив пошукуприкладної математики. Це дозволяє завершити перетворення за кількістьтактів, рівне розрядності слова, незалежно від величини вхідного сигналу.

з вимірюванням тимчасових інтервалів - широка група АЦП, що використовуєдля вимірювання вхідного сигналу різні принципи перетворення рівнів упропорційні тимчасові інтервали, тривалість яких вимірюється придопомоги тактового генератора високої частоти. Іноді називаються такожякі вважають АЦП.

Серед АЦП з вимірюванням тимчасових інтервалів переважають наступні тритипу: послідовного рахунку, або одноразового інтегрування (single -slope) - в кожному такті перетворення запускається генератор лінійнозростаючої напруги, яка порівнюється з вхідним.

Зазвичай таку напругу одержують на допоміжному ЦАП, подібно АЦПпослідовного наближення.

подвійного інтегрування (dual-slope) - в кожному такті перетвореннявхідний сигнал заряджає конденсатор, який потім розряджається на джерелоопорного напруги з вимірюванням тривалості розряду.

стеження - варіант АЦП послідовного рахунку, при якому генератореталонного напруги не перезапускається в кожному такті, а змінює його відпопереднього значення до поточного.

Найбільш популярним варіантом слідкуючого АЦП є sigma-delta,що працює на частоті Fs, значно (в 64 і більше разів) перевищуєчастоту дискретизації Fd вихідного цифрового сигналу. Компаратор такого АЦПвидає значення зниженою розрядності (зазвичай однобітовие - 0/1), сумаяких на інтервалі дискретизації Fd пропорційна величині відліку.
Послідовність малоразрядних значень піддається цифрової фільтраціїі зниженню частоти проходження (decimation), в результаті чого виходитьсерія відліків із заданою розрядністю і частотою дискретизації Fd.

Для поліпшення співвідношення сигнал/шум і зниження впливу помилокквантування, яка у разі однобітового перетворювача виходитьдосить високим, застосовується метод формування шуму (noise shaping) черезсхеми зворотного зв'язку по помилку і цифрового фільтрування. У результатізастосування цього методу форма спектра шуму змінюється так, що основнашумова енергія витісняється в область вище половини частоти Fs,незначна частина залишається в нижній половині, і практично весь шумвидаляється з смуги вихідного аналогового сигналу.

ЦАП в основному будуються за трьома принципами: зважувальне - зпідсумовуванням зважених струмів або напруг, коли кожен розряд вхідногослова вносить відповідний своєму бінарного вазі внесок у загальну величинуодержуваного аналогового сигналу, а також вони ЦАП називають також паралельними абобагаторозрядних (multibit).

sigma-delta, з попередньої цифрової передіскретізаціей та видачеюмалоразрядних (зазвичай однобітових) значень на схему формуванняеталонного заряду, які з такою ж високою частотою додаються довихідного сигналу. Такі ЦАП носять також назва bitstream.

з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ, Pulse Width Modulation, PWM),коли на схему вибірки-зберігання аналогового сигналу видаються імпульсипостійної амплітуди і змінної тривалості, керуючи дозуваннямщо видається на вихід заряду. На цьому принципі працюють перетворювачі MASH
(Multi-stAge Noise Shaping - багатостадійна формування шуму) фірми
Matsushita. Свою назву ці ЦАП отримали через застосування в нихдекількох послідовних формувачів шуму.

При використанні передіскретізаціі в десятки разів (зазвичай - 64x .. 512x)стає можливим зменшити розрядність ЦАП без відчутної втрати якостісигналу; ЦАП з меншою кількістю розрядів мають також кращою лінійністю. Умежі кількість розрядів може бути скорочено до одного.

Форма вихідного сигналу таких ЦАП являє собою корисний сигнал,обрамлений значною кількістю високочастотного шуму, який, тим неменше, ефективно пригнічується аналоговим фільтром навіть середньої якості.

ЦАП є "прямими" пристроями, у яких перетвореннявиконується простіше і швидше, ніж в АЦП, які в більшості своїй --послідовні і більш повільні пристрої.

Передіскретізація (oversampling)

Це дискретизація сигналу з частотою, що перевищує основну частотудискретизації. Передіскретізаціі може бути аналогової, коли з підвищеноючастотою робляться вибірки початкового сигналу, або цифровий, коли між ужеіснуючими цифровими відліку вставляються додаткові, розрахованішляхом інтерполяції. Інший спосіб отримання значень проміжних відліківполягає у вставці нулів, після чого вся послідовність піддаєтьсяцифрової фільтрації. У АЦП використовується аналогова передіскретізація, в ЦАП
- Цифрова.

Передіскретізація використовується для спрощення конструкцій АЦП і ЦАП. Заумовами завдання на вході АЦП і виході ЦАП повинен бути встановлений аналоговийфільтр з АЧХ, лінійної в робочому діапазоні і круто спадаючий за йогомежами. Реалізація такого аналогового фільтра досить складна; в той жечас при підвищенні частоти дискретизації вносяться нею відображення спектрупропорційно відходять від основного сигналу, і аналоговий фільтрможе мати набагато меншу крутизну зрізу.

Інша перевага передіскретізаціі полягає в тому, що помилкиамплітудного квантування (шум дроблення), розподілені по всьому спектруквантуемого сигналу, при підвищенні частоти дискретизації розподіляються побільш широкій смузі частот, так що на частку основного звукового сигналудоводиться менша кількість шуму. Кожне подвоєння частоти знижує рівеньшуму квантування на 3 дБ; оскільки один двійковий розряд еквівалентний 6 дБшуму, кожне учетвереніе частоти дозволяє зменшити розрядністьперетворювача на одиницю.

Передіскретізація разом зі збільшенням розрядності відліку,інтерполяцією відліків з підвищеною точністю і виведенням їх на ЦАПналежної розрядності дозволяє трохи поліпшити якість відновленнязвукового сигналу. З цієї причини навіть у 16-розрядних системах нерідкозастосовуються 18 - та 20-розрядні ЦАП з передіскретізаціей.

АЦП і ЦАП з передіскретізаціей за рахунок значного зменшення часуперетворення можуть обходитися без схеми вибірки-зберігання.

Переваги і недоліки цифрового звуку

Цифрове представлення звуку цінна насамперед можливістюнескінченного зберігання і тиражування без втрати якості, протеперетворення з аналогової форми в цифрову і назад все-таки неминучепризводить до часткової його втрати. Найбільш неприємні на слух викривлення,вносяться на етапі оцифрування - Шорсткий шум, що виникає при квантуваннісигналу за рівнем через округлення амплітуди до найближчого дискретногозначення. На відміну від простого широкосмугового шуму, що вноситься помилкамиквантування, Шорсткий шум являє собою гармонійні спотвореннясигналу, найбільш помітні у верхній частині спектру.

Потужність шорсткого шуму обернено пропорційна кількості ступенівквантування, однак через логарифмічної характеристики слуху при лінійномуквантуванні (постійна величина ступені) на тихі звуки припадає меншеступенів квантування, ніж на гучні, і в результаті основна щільністьнелінійних спотворень припадає на область тихих звуків. Це призводить дообмеження динамічного діапазону, що в ідеалі (без урахуваннягармонійних спотворень) дорівнював би співвідношенням сигнал/шум, однакнеобхідність обмеження цих спотворень знижує динамічний діапазон для
16-розрядного кодування до 50-60 дБ.

Положення могло б врятувати логарифмічні квантування, однак йогореалізація в реальному часі досить складна і дорога.

Искажения, що вносяться гранулярних шумом, можна зменшити шляхом додаваннядо сигналу звичайного білого шуму (випадкового або псевдовипадкового сигналу),амплітудою в половину молодшого значущого розряду; така операція називаєтьсязгладжуванням (dithering). Це призводить до незначного збільшення рівняшуму, зате послаблює кореляцію помилок квантування з високочастотнимикомпонентами сигналу і покращує суб'єктивне сприйняття. Згладжуваннязастосовується також перед округленням відліків при зменшенні їх розрядності.
По суті, dithering і noise shaping є окремими випадками однієїтехнології - з тією різницею, що в першому випадку використовується білий шум зрівномірним спектром, а в другому - шум із спеціально "формованні"спектром.

При відновленні звуку з цифрової форми в аналогову виникаєпроблема згладжування ступінчастою форми сигналу і придушення гармонік,що вносяться частотою дискретизації. Через неідеальної АЧХ фільтрів можевідбуватися або недостатнє придушення цих перешкод, або надлишковеослаблення корисних високочастотних складових. Погано пригніченігармоніки частоти дискретизації спотворюють форму аналогового сигналу
(особливо в області високих частот), що створює враження
"шорсткого", "брудного" звуку.

Інтерфейси, які використовуються для передачі цифрового звуку

S/PDIF (Sony/Philiрs Digital Interface Format - формат цифровогоінтерфейсу фірм Sony і Philiрs) - цифровий інтерфейс для побутовоїрадіоапаратури.

AES/EBU (Audio Engineers Society/European Broadcast Union - суспільствозвукоінженерів/Європейського мовного об'єднання) - цифровий інтерфейсдля студійної радіоапаратури.

Обидва інтерфейсу є послідовними і використовують однаковийформат сигналу і систему кодування - самосінхронізірующійся код BMC
(Biphase-Mark Code - код з поданням одиниці подвійним зміною фази),і можуть передавати сигнали у форматі PCM розрядністю до 24 біт на частотахдискретизації до 48 кГц.

Кожен відлік сигналу передається 32-розрядних словом, у якому 20розрядів використовуються для передачі відліку, а 12 - для формуваннясинхронізуючий преамбули, передачі додаткової інформації та бітапарності. 4 розряду з службової групи можуть використовуватися для розширенняформату відліків до 24 розрядів.

Крім біта парності, службова частина слова містить біт достовірності
(Validity), який повинен бути нульовим для кожного достовірного відліку. Увипадку прийому слова з одиничним бітом Validity або з порушенням парності вслові приймач трактує весь відлік як помилковий і може на вибір абозамінити його попереднім значенням, або інтерполювати на основідекількох сусідніх достовірних відліків.

відлік, помічені як недостовірні, можуть передавати CD -програвачі, DAT-магнітофони та інші пристрої, якщо при зчитуванніінформації з носія не вдалося скорегувати що виникли в процесічитання помилки.

Стандартно формат кодування призначений для передачі одно-і двох -канального сигналу, однак при використанні службових розрядів длякодування номера каналу можлива передача багатоканального сигналу.

З електричної боку S/PDIF передбачає підключення коаксіальнимкабелем з хвильовим опором 75 Ом і роз'ємами типу RCA ( "тюльпан"),амплітуда сигналу - 0.5 В. AES/EBU передбачає підключення симетричнимекранованим двопровідним кабелем з трансформаторної розв'язкою поінтерфейсу RS-422 з амплітудою сигналу 3-10 В, роз'єми - трьохконтактнітипу Cannon XLR. Існують також оптичні варіанти прийомопередавачів -
TosLink (пластмасове оптоволокно) і AT & T Link(скляне оптоволокно).

Обробка цифрового звуку

Цифровий звук обробляється за допомогою математичних операцій,що застосовуються до окремих відліку сигналу, або до груп відліків різноїдовжини. Виконувані математичні операції можуть або імітувати роботутрадиційних аналогових засобів обробки (мікшування двох сигналів --додавання, посилення/ослаблення сигналу - множення на константу, модуляція --множення на функцію і т.п.), або використовувати альтернативні методи --наприклад, розкладання сигналу в спектр (ряд Фур'є), корекція окремихчастотних складових, потім зворотній "збірка" сигналу із спектру.

Обробка цифрових сигналів поділяється на лінійну (у реальномучасу, над "живим" сигналом) і нелінійну - над попередньо записанимсигналом. Лінійна обробка вимагає достатнього швидкодіїобчислювальної системи (процесора); в ряді випадків неможливо суміщеннянеобхідної швидкодії і якості, і тоді використовується спрощенаобробка зі зниженим якістю. Нелінійна обробка ніяк не обмеженав часі, тому для неї можуть бути використані обчислювальні засобибудь-якої потужності, а час обробки, особливо з високою якістю, можедосягати декількох хвилин і навіть годин.

Для обробки застосовуються як універсальні процесори загальномупризначення - Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC - так іспеціалізовані цифрові сигнальні процесори (Digital Signal
Processor, DSP) Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx, Analog Devices
ADSP-xxxx та ін

Різниця між універсальним процесором і DSP полягає в тому, що першийорієнтований на широкий клас завдань - наукових, економічних, логічних,ігрових і т.п., і містить великий набір команд загального призначення, вякому переважають звичайні математичні та логічні операції. DSPспеціально орієнтовані на обробку сигналів і містять набориспецифічний операцій - додавання з обмеженням, множення векторів,обчислення математичного ряду і т.п. Реалізація навіть нескладної обробкизвуку на універсальному процесорі вимагає значного швидкодії ідалеко не завжди можлива в реальному часі, в той час як навіть прості
DSP нерідко справляються в реальному часі з відносно складноюобробкою, а потужні DSP здатні виконувати якісну спектральнуобробку відразу декількох сигналів.

В силу своєї спеціалізації DSP рідко застосовуються самостійно - частішевсього пристрій обробки має універсальний процесор середньої потужностідля управління всім пристроєм, прийому/передачі інформації, взаємодіїз користувачем, і один або кілька DSP - власне для обробкизвукового сигналу. Наприклад, для реалізації надійної та швидкої обробкисигналів у комп'ютерних системах застосовують спеціалізовані плати з DSP,через які пропускається оброблюваний сигнал, у той час якцентральному процесору комп'ютера залишаються лише функції управління іпередачі.

Методи, які використовуються для опрацювання звуку

1. Монтаж. Складається в виpезаніі із запису одних ділянок, вставцідpугих