6.8. Общие сведения о цифровой записи

Принцип, на котором базируется способ передачи звуковых сигналов в цифровой форме, состоит в том, что полное воспроизведение любого сигнала на стороне приема возможно и в том случае, когда передается не весь сигнал, а лишь периодически выделяемые из него отсчеты. В отличие от аналогового цифровой сигнал, искаженный помехами, можно восстановить (регенерировать) полностью. Для этого достаточно принять решение о наличии ("1") или отсутствии ("0") сигнала. Длительность цифрового сигнала при передаче выбирается строго определенной, и при приеме возможно полное устранение временных искажений.

Основные преимущества цифровой записи:

• возможность получения сколь угодно большого динамического диапазона и сколь угодно малых искажений;

• отсутствие детонации звука;

• возможность многократного копирования фонограмм без ухудшения качества;

• отсутствие модуляционных шумов;

• отсутствие искажений АЧХ при любых уровнях сигнала в пределах динамического и частотного диапазонов.

Цифровая система звукозаписи требует представления входного аналогового сигнала в цифровом виде, а выходного цифрового сигнала - в аналоговом. Для преобразований используют аналого-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Обобщенная структурная схема системы цифровой звукопередачи показана на рис. 6.11. Аналоговый сигнал источника подается на фильтр, ограничивающий его частотную полосу. Затем из аналогового сигнала с помощью схемы выборки-хранения выделяются отсчеты, т.е. производится квантование сигнала во времени. Далее сигнал поступает на АЦП, который преобразует амплитуду каждого отсчета в закодированные числа. Они и представляют собой цифровые сигналы, дискретные во времени и по величине. Для защиты от возможных ошибок, а также для согласования с параметрами канала передачи цифровой сигнал, как правило, перекодируется путем введения контрольных символов. На приемной стороне с помощью ЦАП вырабатывается сигнал, амплитуда которого в каждый момент времени соответствует амплитуде отсчета на стороне передачи. Наконец сигнал подается на фильтр НЧ, который позволяет восстановить непрерывный во времени (аналоговый) сигнал.

Для того чтобы осуществить дискретизацию аналогового сигнала, его частотная полоса должна быть ограничена фильтром НЧ. Необходимо также, чтобы фронты характеристики пропускания фильтра были по возможности более крутыми. Лишь при этом условии сигнал может удовлетворить требованиям теоремы отсчётов, которая гласит: сигнал, спектр частот которого занимает область от -В₀ до +В₀ (низкочастотный сигнал), может быть полностью представлен своими дискретными отсчетами с интервалом Т_А, если Т_А>=1/В₀. Другими словами, частота дискретизации f_A=1/Т_А должна быть как минимум вдвое больше максимальной частоты аналогового сигнала f_max, т.е. f_A>=2f_max. Если это условие не выполняется, то спектры дискретизации взаимно перекрываются и адекватно восстановить исходный аналоговый сигнал невозможно.

Дискретизацией непрерывного во времени сигнала x_A(t) называется процесс взятия отсчетов во временных точках t=nT. Результатом дискретизации является дискретный во времени выходной сигнал x_D(t)=x_A(nT), представляющий собой последовательность отсчетов x(n). Демодуляция дискретизованного сигнала позволяет полностью восстановить информацию, содержащуюся в исходном сигнале.

Рис. 6.11. Обобщенная структурная схема цифровой системы звукопередачи.

Взятие отсчетов реализуется с помощью схемы выборки-хранения, в которой за период выборки Т_А происходит заряд конденсатора напряжением входного сигнала. При этом потенциал заряда соответствует мгновенному значению напряжения сигнала. Напряжения на конденсаторе сохраняется неизменным в течение некоторого отрезка времени, называемого временем хранения.

Квантование сигнала можно описать графически с помощью характеристики квантования, где по горизонтальной оси отложены значения непрерывного сигнала, а по вертикальной - значения квантового сигнала (рис. 6.12). Шаг квантования определяется числом разрядов АЦП. Квантование с постоянным шагом называется равномерным или линейным. Иногда применяется нелинейное квантование. Оно позволяет обеспечить достаточно большой динамический диапазон при снижении разрядности АЦП.

Рис. 6.12. Характеристики квантования: а) линейная; б) нелинейная.

При этом характеристика квантования имеет вид кривой, близкой к логарифмической. Число уровней квантования n и число двоичных разрядов АЦП определяют динамический диапазон преобразования. Динамический диапазон (в дБ) от числа разрядов АЦП или ЦАП определяется выражением D=6n+1,8, где n - число двоичных разрядов.