Рис. 3.1. Импульсное преобразование амплитуды и модуляция. Схема неудобна для применения, посколы<у подвержена интерференции

являются также формами модуляции. С термином модуляция в литературе по цифровой звукозаписи имеется некоторая неопределенность и всегда надо бьпь уверенным в смысле, в котором он используется.

Рассмотрим, например, тип модуляции, показанный на рис. 3.1. В этой системе производится выборка аналогового сигнала с целью формирования последовательности импульсов, амплитуды которых равны мгновенным значениям сигнала в соответствующие моменты времени. Это несколько больше, чем двоичная версия амхшитудной модуляции несущей; такой метод часто применяется в высококачественных звуковых устройствах; в этом случае модуляция и преобразование едины, разделить их невозможно.

Более современные методы основаны на импульсно-кодовой модуляции, при которой амплитуды выбираемых звуковых сигналов представляются в форме кодированных импульсов. Теперь можно увидеть разницу между методом преобразования амплитудных значений аналоговых сигналов в форму двоичных сигналов и методом организации этих сигналов в форму, удобную для записи - модуляционной частью проблемы.

Результатом преобразования является представление при каждой выборке аналогового сигнала в виде числа в двоичной форме, причем это число Пропорционально амплитуде выбираемого сигнала. Среди чисел, записьшаемых в двоичной форме с помощью 1 и О, могут бьяь числа, состоящие преимущественно из 1 или О, например 1000000000000000 и О 111 111111 111 111. Хотя эти числа не представляют собой проблем для регистров, надо подумать, как их записать. Дпинная последовательность 1 или О по существу представляет собой сигнал постоянного уровня, подобный посылке постоянного тока, а сигнал постоянного тока нельзя записать ни на ленту, на на диск. Поэтому какой бы метод модуляции мы ни выбирали, он должен создать такую конфигурацию сигнала, в которой имело бы место достаточно частое чередование изменений уровней от О до 1 или от 1 до 0. Если эти изменения происходят очень редко, то вероятность ошибок существенно возрастает. Это осложнение устраняется использованием метода модуляции двоичного сигнала в форме кода, в котором описанные ситуации встречаются крайне редко.

частота выборки

Преобразование начинается с выборки. В процессе выборки амплитуда аналогового звукового сигнала измеряется и запоминается на короткое время; через некоторый интервал времени процедура повторяется. Процесс иллюстрируется рис. 3.2, из которого видно, что для качественного преобразования аналогового сигнала в дафровой необходимо брать достаточно большое число выборок в течение одного периода. Если брать мало выборок (рис. 3.3), то двоичная версия сиг-

Ill Ml

I I I I

Рис. 3.2. Сорок пять выборок сигнала. При такой плотное выборок хорошо передаются детали формы колебания

Рис. 3.3. Неадекватная выборка сигналов:

а - исходное колебание; 6 - плохая реплика

нала будет мало похожана на оригинал. С другой стороны, изменение числа выборок в течение периода вызовет появление избыточной информации и ненужный износ дисков. Выбор разумного компромисса между эффективностью и качеством - одна из важнейших задач в теории выборок.

преобразование

Рассмотрим подробнее процесс преобразования. Следует определить, сколько бит следует использовать дпя передачи числа. Как бьшо показано в гл. 1, использование 9 разрядов позволяет различать 256 уровней амплитуд, что оставляет желать лучшего. Чтобы реализовать высокие стандарты звуковоспроизведения, надо иметь возможность охватить диапазон амплитуд сигналов до 90 дБ, что соответствует отношению амплитуд сигналов примерно 32 ООО к 1. Использование 256 уровней квантования амплитуды сигнала означает, что размер интервала между уровнями составляет примерно 123 единицы. Это очень грубо для обеспечения приемлемого качества звука. Использование 16 разрядов соответствует 32 767 уровням, что очень близко к названному соотношению амплитуд 32 ООО: 1.

Такая степень квантования используется в системах КД и цифровой записи на ленту. Если возможно, то следует использовать мень-

Рис. 3.4. Звуковое колебание; выборка дает хорошие результаты, поскольку аппроксимация может повлиять только на воспроизведение малых амплитуд высокочастотных колебаний, которые в аналоговой системе в любом случае будут потеряны

шее число разрядов, поскольку последовательная запись 16 разрядов занимает много времени, особенно при использовании метода модуляции, который будет описан в гл. 6. Рабочая частота системы КД при этом оказывается эквивалентной частоте видеосигнала.

Однако есть и другие возможности. В идеале амплитуда каждого выбираемого сигнала пропорциональна числу в 16-битовом диапазоне. Но это не так, и разница между реальной амплитудой и амплитудой, закодированной 16-битовым числом, представляет собой ошибку - шум квантования. Не останавливаясь на доказательствах, отметим, что чем больше бит используется для кодирования амплитуды, тем меньше шумы квантования.

Менее очевиден эффект, связанный с сигналами, имеющими малые амплитуды. Для сигналов с малыми амплитудами уровень шумов квантования действительно пропорционален уровню сигнала, который ухо воспринимает не как шум, а скорее как искажения. Чем больше цифровых разрядов используется для кодирования, тем полнее проявляется этот эффект, если не принимать специальных мер. Парадокс состоит в том, что задача решается добавлением шума. Добавление белого шума (шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот) к сигналу малой амплитуды разрывает связь между шумами квантования и амплитудой сигнала и таким образом существенно уменьшает эффект воспроизведения звука как искаженного. Добавление шума называется подмешиванием псевдослучайного сигнала и является весьма важной частью процесса преобразования.

Идея цифровых сообщений достаточно нова: в 1948 г. К. Шеннон опубликовал свою работу Математическая теория сообщений , являющуюся базовой и для цифровой обработки звука. Существо работы Шеннона состоит в том, что для достижения баланса между качеством и полосой пропускания системы необходимо, чтобы частота выборки вдвое превышала наивысшую частоту звукового сигнала. Обратим внимание на тезис о наивысшей частотной компоненте. Если частота синусоидальных колебаний составляет 1 кГц, то, используя частоту выборки 2 кГц, нельзя выполнить требования стандарта в части высокого качества, если обратное преобразование рассчитано на воспроизведение синусоидального сигнала. Теория Шеннона касается несинусоидальных колебаний, характерных дпя звуковой техники и представляющих собой комбинации основных частот и некоторого количества гармоник. Это обстоятельство иллюстрируется рис. 3.4, на котором показана типичная фор.ма звукового колебания; наивысшая частота определяется малой частью колебания, похожей не на синусоиду, а на пилообразные импульсы. Строго говоря, i ic. 3.4 не точно отражает характер гармо-34