Презентация на тему "Лекции 13 – 14.Цифровое представление сигналов звукового вещания"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Лекции 13 – 14.Цифровое представление сигналов звукового вещания

  План лекции Аналого - цифровое преобразование. 2. Цифро - аналоговое преобразование.

• 
  Слайд 2
  

  1.Преобразование аналогового звукового сигнала в цифровой включает в себя несколько этапов. Сначала аналоговый звуковой сигнал подается на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала. Затем из аналогового сигнала с помощью схемы выборки/хранения выделяются отсчеты: 2

• 
  Слайд 3
  

  с определенной периодичностью осуществляется запоминание мгновенного уровня аналогового сигнала. Далее производится квантование, при котором каждое мгновенное значение сигнала заменяется ближайшим к нему разрешенным значением. И, наконец, полученные отсчеты кодируются, преобразуя значение каждого отсчета в цифровой код или числа. 3

• 
  Слайд 4
  

  Полученная последовательность бит цифрового кода и является звуковым сигналом в цифровой форме. Таким образом, в результате преобразования непрерывный аналоговый звуковой сигнал превращается в цифровой – дискретный как по времени, так и по величине. 4

• 
  Слайд 5
  

  Кроме того, для защиты от возможных ошибок, а также для согласования с параметрами канала записи в цифровой код может вводиться дополнительная служебная информация. Для примера на слайде 6 показана структурная схема канала (тракта) цифровой записи звука 5

• 
  Слайд 6
  

  Обобщенная структурная схема канала цифровой записи звука 6

• 
  Слайд 7
  

  Главную роль в процессе преобразования сигнала из аналоговой формы в цифровую играет аналого-цифровой преобразователь – АЦП (Analog/DigitalConverter - ADC). Обратный процесс – преобразование цифрового звукового сигнала в аналоговый – реализуется с помощью цифро-аналогового преобразователя – ЦАП (Digital/ AnalogConverter – DAC). 7

• 
  Слайд 8
  

  Рассмотрим отдельные этапы процедуры аналого-цифрового преобразования. 1.1. Дискретизация Важнейшим этапом аналого-цифрового преобразования является дискретизация аналогового сигнала. Вместо термина «дискретизация» в технической литературе иногда употребляют термин «выборка», а в литературе, посвященной обработке 8

• 
  Слайд 9
  

  звука используется понятие - «сэмплирование». По определению, дискретизация – это процесс взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала в равноотстоящих друг от друга по времени точках (слайд 10). 9

• 
  Слайд 10
  

  Процесс дискретизации 10

• 
  Слайд 11
  

  При дискретизации измеряется и запоминается уровень аналогового сигнала. Через заданный интервал времени, который называется интервалом дискретизации, процедура повторяется. 11

• 
  Слайд 12
  

  Для качественного преобразования аналогового сигнала в цифровой необходимо производить достаточно большое количество отсчетов даже в течение одного периода изменения аналогового сигнала, т.е. значение частоты дискретизации не может быть произвольным. 12

• 
  Слайд 13
  

  Значение частоты дискретизации фактически определяет ширину полосы частот сигнала для записи. Ширина этой полосы в соответствии с теоремой Котельникова - Найквиста не может быть больше половины значения частоты дискретизации. Эта теорема имеет важнейшее значение в технике записи и передачи звука в цифровой форме. 13

• 
  Слайд 14
  

  Теорема гласит: сигнал, спектр частот которого занимает область от Fминдо Fмакс, может быть полностью представлен своими дискретными отсчетами с интервалом Tд, если Tдне превышает 1/2Fмакс. Другими словами, частота дискретизации fд = 1/Tдв процессе преобразования должна быть, как минимум, вдвое больше наивысшей частоты звукового сигнала Fмакс. 14

• 
  Слайд 15
  

  Почему именно в два раза? Потому, что спектр сигнала, преобразованного с помощью АЦП в цифровую форму, имеет периодический характер. В соответствии с теоремой Фурье сигнал любой формы может быть представлен в виде суммы простейших синусоидальных колебаний разной частоты и амплитуды. 15

• 
  Слайд 16
  

  По окончании аналого - цифрового преобразования звуковой сигнал, представленный в цифровой форме, содержит, кроме низкочастотных, соответствующих исходному аналоговому сигналу, еще и высокочастотные компоненты (слайд 17). 16

• 
  Слайд 17
  

  Перекрытие спектров сигнала при дискретизации 17

• 
  Слайд 18
  

  Эти компоненты есть повторение низкочастотного спектра сигнала в виде боковых полос с центрами в точках, кратных частоте дискретизации (fд, 2fд, 3fд, 4fд и т. д.). Если уменьшить частоту дискретизации, то произойдет наложение (перекрытие) низкочастотной части спектра и боковой полосы. 18

• 
  Слайд 19
  

  Наложение спектров приведет к появлению новых спектральных составляющих в сигнале и, следовательно, к невозможности его правильного восстановления. Классический пример наложения спектров - при просмотре кинофильма кажется, что колесо движущегося автомобиля 19

• 
  Слайд 20
  

  крутится со скоростью, не соответствующей скорости движения автомобиля, или даже в обратную сторону. Возникновение этого эффекта обусловлено тем, что скорость смены кадров (частота дискретизации изображения) мала по сравнению с угловой скоростью вращения колеса. 20

• 
  Слайд 21
  

  Чтобы при записи звукового сигнала избежать наложения спектров, перед АЦП устанавливается фильтр низких частот (ФНЧ), подавляющий все частоты, лежащие выше половины частоты дискретизации. При этом желательно, чтобы фронты АЧХ этого фильтра были как можно круче. 21

• 
  Слайд 22
  

  Т.к. человек способен слышать звуковые колебания частотой в диапазоне от 16…20 Гц до 20 кГц, то по теореме отсчетов, чтобы удовлетворить требованиям к частотным характеристикам высококачественной аудиотехники (например, проигрывателей аудио компакт-дисков), частота дискретизации исходного звукового сигнала должна составлять не менее 40 кГц. 22

• 
  Слайд 23
  

  Если в системах связи ЗС кодируются и передаются вместе с другими, например с телефонными сигналами, то частота дискретизации ЗС должна быть кратна частоте дискретизации телефонного сигнала. Иначе в общей структуре цифрового потока системы связи невозможно передать широкополосные сигналы звукового вещания вместо нескольких телефонных. 23

• 
  Слайд 24
  

  С учетом этого в цифровых трактах звукового вещания с верхней частотой 15 кГц принято значение частоты дискретизации, равное 32 кГц (соответствует учетверенному значению для сигнала в телефонном канале). 24

• 
  Слайд 25
  

  В системах телевидения при передаче цифровых сигналов звукового сопровождения во избежание биений между гармониками строчной частоты и частоты дискретизации значение последней выбирается кратной частоте строчной развертки. 25

• 
  Слайд 26
  

  В трактах формирования программ с верхней частотой 20 кГц принято значение частоты дискретизации 48 кГц, в лазерных проигрывателях и бытовых магнитофонах – 44,1 кГц. Стандартное значение частоты дискретизации большинства звуковых карт составляет 44,1 и 48,0 кГц. 26

• 
  Слайд 27
  

  1.2. Квантование Пусть для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера отводится mбит. Соответственно, с помощью одного m-битного слова (слово – последовательность m бит) можно описать 2^mразных положений. Допустим, что амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от -1 до 1 некоторых условных единиц. 27

• 
  Слайд 28
  

  Представим этот диапазон изменения амплитуды (динамический диапазон сигнала) в виде 2m -1 равных промежутков, разделив его на 2mуровней-квантов. Для записи каждого отдельного значения амплитуды, его округляют до ближайшего уровня квантования. Этот процесс называется квантованием по амплитуде. 28

• 
  Слайд 29
  

  Квантование по амплитуде – это процесс замены реальных (измеренных) значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2m возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. 29

• 
  Слайд 30
  

  При линейном разбиении амплитудной шкалы на уровни квантование называют линейным (однородным). На слайде 31 представлен пример такого квантования: результатом такой оцифровки стал ступенчатый сигнал, составленный из прямоугольников, каждый из которых имеет ширину равную величине шага дискретизации, и высоту равную измеренному значению амплитуды сигнала. 30

• 
  Слайд 31
  

  Процесс квантования 31

• 
  Слайд 32
  

  Такая дискретизация сигнала во времени совместно с методом равномерного квантования называется импульсно - кодовой модуляцией, ИКМ (PulseCodeModulation – PCM). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х г. 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM, с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядностью квантования 16 бит. 32

• 
  Слайд 33
  

  Появление ошибок квантования при записи звукового сигнала в цифровой форме эквивалентно добавлению к восстановленному сигналу некоторого шума. Поэтому ошибки квантования называются шумом квантования. Шум квантования можно рассматривать и как специфические искажения сигнала, особенно заметные при его малых уровнях. 33

• 
  Слайд 34
  

  Уровень шума квантования обычно измеряется в присутствии сигнала как уровень (в децибелах) относительно максимального значения сигнала. Чем меньше этот уровень, тем выше качество звука. Уровень шума определяется разрядностью квантования и частотой дискретизации. 34

• 
  Слайд 35
  

  В некоторых случаях допустим более высокий уровень собственного шума цифровой системы. Например, при передаче звукового сопровождения телепрограммы для представления звукового сигнала в цифровой форме достаточно 12…13 разрядов, следовательно, уровень шумов квантования может достигать значения от -78 до -72 дБ. 35

• 
  Слайд 36
  

  Замечание. Характер воздействия шума на качество воспроизводимого сигнала в аналоговом и цифровом трактах звукозаписи принципиально различный. В аналоговом тракте помехи суммируются с полезным сигналом, поэтому даже небольшой уровень шума существенно ухудшает качество звукового сигнала. 36

• 
  Слайд 37
  

  В цифровой системе шум до некоторого, достаточно высокого (порогового) значения (до тех пор, пока еще удается правильно распознать передаваемое число) вообще не влияет на качество записи. 37

• 
  Слайд 38
  

  Пусть известна разрядность АЦП (количество разрядов для записи звукового сигнала в цифре). Например, если умножить число разрядов кодового слова на частоту дискретизации сигнала, выраженную в герцах, то получим скорость передачи данных, которую должен обеспечивать цифровой канал записи/воспроизведения (или передачи) звука. 38

• 
  Слайд 39
  

  Если теперь полученную скорость передачи данных умножить на общую длительность звукового сигнала в секундах, получим объем памяти на магнитном носителе, например, на жестком диске, который потребуется для хранения звуковых данных. 39

• 
  Слайд 40
  

  Например, поскольку при записи стереосигнала скорость передачи данных и необходимый объем памяти удваиваются, то учет подобного рода информации поможет правильно оценить свои возможности перед записью на жесткий диск какого-нибудь звукового фрагмента. 40

• 
  Слайд 41
  

  1.3. Кодирование В результате дискретизации и квантования получается дискретный сигнал (дискретен по уровню и во времени). Для передачи этого сигнала, а также для записи на ленту или диск он должен быть преобразован в другой вид. 41

• 
  Слайд 42
  

  Этот процесс называется кодированием. На практике квантование и кодирование обычно объединяются в общем функциональном узле аппаратуры. Квантованный отсчет сигнала является элементом дискретного сигнала с большим числом значений, например, 64, 128, или более. 42

• 
  Слайд 43
  

  Его можно передавать непосредственно по каналу только при условии, что уровень помех значительно ниже одного кванта. Цель кодирования – представить один элемент с большим основанием в виде группы элементов с малым основанием, так как последние лучше согласуются с параметрами канала передачи. 43

• 
  Слайд 44
  

  Эта группа называется кодовым словом. Например, выборка, квантованная в один из 128 уровней, может быть представлена семиэлементной комбинацией двоичных символов. Каждый двоичный разряд имеет два значения уровня, а семь разрядов дают 2^7=128 комбинаций. 44

• 
  Слайд 45
  

  Существует много способов установления однозначного соответствия между квантованными уровнями и кодовыми комбинациями. Один из удобных способов – выражать порядковые номера квантованных уровней в виде двоичных чисел. 45

• 
  Слайд 46
  

  Пусть n – номер кодируемого уровня квантования, m– число разрядов в кодовой группе (слове) и а – число, принимающее значение 0 или 1. Тогда кодовая комбинация, соответствующая числу n, содержит передаваемые последовательно а_m-1, a_m-2…a_0. 46

• 
  Слайд 47
  

  Необходимое число разрядов (длина кодового слова) для кодирования при заданном максимальном числе уровней шкалы квантования n_макс определяется из выражения m=log_2(n_макс). где n – номер кодируемого уровня квантования; 47

• 
  Слайд 48
  

  Если кодовая группа содержит m символов 0 или 1, то с помощью такого m-разрядного двоичного кода можно закодировать число до n_макс=2m. Двоичные символы, входящие в состав кодовых групп, называются битами и они имеют разный вес. 48

• 
  Слайд 49
  

  Наименьший вес имеет младший бит а_о, несущий информацию об одном шаге квантования. Старший значащий бит а_m-1 несет информацию о 2^m-1шагах квантования и имеет наибольший вес. 49

• 
  Слайд 50
  

  Для восстановления исходного сигнала необходимо выполнить обратную операцию, называемую декодированием. Декодер при подаче на его вход нескольких элементов кодовой комбинации преобразует ее в дискретный квантованный сигнал, являющийся наилучшим приближением к исходному отсчету. 50

• 
  Слайд 51
  

  2. Для воспроизведения звукового сигнала, записанного в цифровой форме, необходимо преобразовать его в аналоговую форму, т.е. осуществить цифро-аналоговое преобразование сигнала (слайд 52). 51

• 
  Слайд 52
  

  Обобщенная схема преобразования цифрового сигнала в аналоговый 52

• 
  Слайд 53
  

  Цифро - аналоговое преобразование производится в два этапа. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью цифро-аналогового преобразователя выделяют отсчеты сигнала, следующие с частотой дискретизации. 53

• 
  Слайд 54
  

  На втором этапе из дискретных отсчетов формируется путем сглаживания (интерполяции) непрерывный аналоговый сигнал. Эта операция равносильна фильтрации сигнала идеальным фильтром низкой частоты, который подавляет периодические составляющие спектра дискретизированного сигнала. 54

• 
  Слайд 55
  

  После первого этапа цифро-аналогового преобразования сигнал представляет собой серию узких импульсов, имеющих многочисленные высокочастотные спектральные компоненты. На аналоговый фильтр в этом случае возлагается задача полностью пропустить сигнал нужного частотного диапазона (например, 0…24 кГц) и как можно сильнее подавить ненужные ВЧ-компоненты. 55

• 
  Слайд 56
  

  Аналоговому фильтру выполнить такие противоречивые требования не под силу, поскольку становятся заметными искажения. Поэтому цифровой сигнал сначала интерполируют – вставляют дополнительные отсчеты, вычисленные по специальным алгоритмам, что приводит к увеличению частоты дискретизации без искажения исходного спектра сигнала. 56

• 
  Слайд 57
  

  Это приводит к тому, что высокочастотные спектральные компоненты на выходе ЦАП далеко отстоят от низкочастотных компонентов звукового сигнала, поэтому, чтобы отфильтровать их, достаточно использовать простой аналоговый фильтр. 57