ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Аналого-цифровое преобразование из "Введение в цифровую звукотехнику " 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 амплитудной модуляции несущей такой метод часто применяется в высококачественных звуковых устройствах в этом случае модуляция и преобразование едины, разделить их невозможно. [c.32] 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. [c.32] 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. [c.33] 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. [c.34] 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. [c.34] В системе КД частота выборки составляет 44,1 кГц, что соответствует наивысшей частоте звукового колебания 22 кГц. Эта частота выбрана с учетом ряда дополнительных обстоятельств, в том числе частоты тактирующих импульсов, и составляет именно 44,1, а не 44 кГц. Эта частота также в известной степени отражает стремление инженеров к совершенствованию системы записи на КД, а не просто желание получить не худшие результаты, чем при обычном способе звукозаписи. [c.35] Амплитудно-цифровое преобразование является основным циклом во всем процессе записи. Известно несколько методов осуществления такого преобразования, но не все из них легко применимы к задачам звукозаписи. Важно понять принципы, положенные в основу двух главных методов. Сначала рассмотрим интегратор, подобный используемому в цифровых вольтметрах. Принцип действия его достаточно прост. Основным узлом схемы (рис. 3.6) является компаратор, имеющий два входа и один выход. Пока напряжение на одном входе ниже, чем на другом, на выходе поддерживается один логический уровень. Этот уровень изменяется при изменении соотнощения уровней на входах можно считать, что выход компаратора переключается при равенстве Входных уровней напряжения (практически при очень малой разнице порядка нескольвсих милливольт). [c.36] Уровень сигнала, подлежащего преобразованию на одном из входов, следует поддерживать неизменным в течеше времени, необходимого для преобразования. Тактирующие импульсы подаются на счетчик и на интегрирующую схему. Напряжение на выходе интегрирующей цепи представляет собой последовательность равных ступенек напряжения (одна ступенька на один тактирующий импульс) это напряжение подается на другой вход компаратора. Когда напряжение на обоих входах окажется одинаковым (или почти равным), компаратор переключается при этом посылки тактирующих импульсов прекращаются, а на выходе счетчика появляется число сосчитанных импульсов. [c.36] ЧТО значительно превышает возможности обычных цифровых устройств и прочего цифрового оборудования (за исключением спутниковых систем). Это обстоятельство исключает возможность использования относительно простых интеграторов для преобразования со скоростями выборки и числом бит, необходимыми для звукозаписи, и заставляет искать другие пути решения задачи. [c.37] Такая частота может показаться слишком высокой в сравнении с частотами звукового диапазона, но она невелика по сравнению с частотами, используемыми в персональных компьютерах, и является средней для современной интегральной цифровой техники. [c.38] Другой формой является последовательный тип АЦП (рис. 3.8). Он состоит из регистра последовательный вход—параллельный выход (SIPO), набора Д-триггеров FIFO, называемого также регистром параллельный вход—параллельный выход, цифро-аналогового преобразователя и компаратора, выход которого управляет работой регистров. Принцип действия этой схемы не слишком очевиден, поэтому представим себе, что происходит при выборке. [c.38] При использовании этого метода за время выборки надо сделать только 16 операций сравнения на одну из этих операций приходится максимум 1,25 мкс. В это время входит время сдвига информации по регистру также требуется высокое быстродействие ЦАП, более высокое, чем обеспечиваемое большинством конструкций. Скорость — проблема большинства цифровых устройств она постоянно повышается путем совершенствования технологии изготовления ИС, а также за счет применения новых материалов, например арсенида галлия. [c.39] Таков метод кодирования отрицательных чисел. Старший значащий бит (слева) используется как знаковый бит. Преобразование выполняется без учета знака, затем отрицательное число обращается и добавляется 1. [c.40] Контроль четности весьма эффективен для малого числа разрядов и достаточно эффективен для обнаружения ошибки в 1 бит в 8-битовом числе. Однако это не означает, что его можно непосредственно применять в цифровых звуковых системах. Простой контроль может помочь установить факт изменения одного бита, но не может указать, какого именно, не может установить более одного изменения и скорректировать ошибку. Далее мы увидим, что числа могут быть сформированы в группы бит, в которых некоторые биты оказываются более важными. [c.42] Избыточность — другой важный метод обнаружения и коррекции ошибок. Грубо говоря, избыточность означает, что каждое число записывается трижды, а приемное устройство организовано так, что оно способно вьщелить ключевое корректное число, если три версии не совпадают. [c.42] Простейший метод состоит в двукратной записи каждого числа с дополнениями для соблюдения четности и исключении числа, в котором не соблюдена четность. Однако простые избыточные системы приводят к нерациональной загрузке схем памяти, и всегда надо тщательно думать о том, что же желательно корректировать. Поскольку биты старшего порядка наиболее ответственны за большие изменения амплитуд сигналов, есть смысл оказывать им предпочтение в смысле избыточности, нежели младшим разрядам. Избыточность передачи информации в двоичных системах привлекала пристальное внимание теоретиков, и сейчас как таковая стала в известном смысле пугающе сложной. В настоящей книге мы только весьма поверхностно коснемся этих проблем особенно сложных систем, созданных для обнаружения и коррекции ощибок применительно к КД. [c.42] Вернуться к основной статье