Студопедия  
Главная страница | Контакты | Случайная страница

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатика
ИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханика
ОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторика
СоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансы
ХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника

Дискретная модуляция аналоговых сигналов

Читайте также:
  1. Амплитуд отраженных сигналов
  2. Анализ источников опасных сигналов и определение потенциальных технических каналов утечки информации и несанкционированного доступа.
  3. Базовые каскады аналоговых устройств
  4. Базовые каскады аналоговых устройств
  5. Ввод информации с датчиков и формирование сигналов
  6. Входные и выходные параметры усилителя. Принципы электронного усиления аналоговых сигналов и построения усилителей.
  7. ГЛАВА 3. Узкополосная демодуляция/обнаружение.
  8. ГЛАВА 4: ПОЛОСОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ
  9. Группы аналоговых электронных устройств
  10. Демодуляция ЧМн-сигнала

RSEG XSEG1

ORG 100H

DTIM: DS 6 ;резервирует 6 байтов для DTIM

TIME XDATA DTIM + 0

DATE XDATA DTIM + 3

 

Дискретная модуляция аналоговых сигналов

В аналоговой аппаратуре звуки представляются колебаниями тока в электрической цепи. Такие колебания называют аналоговым сигналом.

Цифровая аппаратура оперирует наборами чисел и не знает никаких непрерывных электрических сигналов. Поэтому и звук (аналоговый сигнал) представляется в цифровой аппаратуре набором чисел.

Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется аналогово-цифровым преобразованием. Аппаратное устройство, занимающееся таким преобразованием, логично называется аналогово-цифровым преобразователем или сокращенно АЦП.

 

 

Принцип работы АЦП следующий. На вход устройства подается непрерывный аналоговый сигнал, а на выходе через определенные промежутки времени снимаются численные значения его уровня (амплитуды). Во время прохождения аналогового сигнала через АЦП происходят два процесса — дискретизация во времени и квантование по уровню (квантование значений амплитуды).

Дискретизация сигнала во времени заключается в измерении значений амплитуды аналогового сигнала через определенные промежутки времени, называемые шагом дискретизации. Чем выбранный шаг меньше, тем, соответственно, чаще замеряются значения амплитуды. Количество осуществляемых замеров амплитуды в одну секунду называют частотой дискретизации (или частотой выборки) сигнала (рис. 1).

Квантованиеизмеренных значений амплитуды сигнала представляет собой процесс замены этих значений приближенными с определенной точностью. Необходимость производимых округлений вызвана невозможностью записывать с бесконечной точностью реальные значения амплитуды сигнала.

Точность осуществляемого округления зависит от выбранного количества уровней квантования: чем больше уровней квантования, тем на меньшую величину приходится округлять измеренные значения амплитуды, и, таким образом, тем меньше получаемая погрешность.

Например, при наличии всего двух уровней квантования — «1» и «0» (то есть случай примитивного однобитного АЦП) измеренные значения амплитуды сигнала округляются до «есть» и «нет». В случае же, например, 16-разрядного АЦП количество уровней квантования равно 216 = 65536 уровней.

Итак, оцифровка сигнала представляет собой процесс регистрации амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и вывода зарегистрированных значений в виде округленных числовых значений. Полученные числовые значения амплитуды сигнала называют отсчетами. Очевидно, что чем выше частота дискретизации и чем выше разрядность квантования, тем точнее получаемая цифровая информация описывает оригинальный аналоговый сигнал. Способ хранения оцифрованного сигнала в виде последовательности чисел, описывающих абсолютные значения амплитуды сигнала, называется ИКМ — импульсно-кодовая модуляция (PCM — pulse code modulation). Надо особо подчеркнуть, что объем оцифрованных данных напрямую зависит от выбранных параметров оцифровки: чем выше частота дискретизации и разрядность квантования, тем больше памяти требуется для хранения оцифрованных данных.

Стандартный аудио компакт диск (CD-DA) несет информацию в формате ИКМ с параметрами 44100 Гц/16 бит/стерео (частота дискретизации/разрядность квантования/количество каналов).

Чтобы воспроизвести (проиграть) цифровой сигнал, необходимо преобразовать его обратно в аналоговую форму. Этим занимается специальное устройство — ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), который решает задачу, обратную дискретизации: по имеющейся цифровой информации путем интерполирования «строится» аналоговый сигнал. Именно на этом этапе (то есть на этапе восстановления) и выясняется важность параметров оцифровки сигнала.

Если в ходе аналогово-цифрового преобразования частота дискретизации и разрядность квантования были выбраны низкими, то восстанавливаемый ЦАП’ом сигнал вследствие вынужденной грубой интерполяции может сильно отличаться от оригинального аналогового сигнала.

Отсюда напрашивается, казалось бы, простой вывод, а именно: для получения в конечном итоге качественного сигнала на выходе ЦАП нужно брать как можно более высокую разрядность квантования АЦП при минимальном возможном шаге дискретизации. На практике, к сожалению, это невыполнимо в виду ограниченности объемов памяти. С другой стороны, стремясь получить данные как можно меньшего объема и занизив с этой целью параметры оцифровки, можно тем самым легко навредить качеству сигнала. В частности, выбор низкой разрядности квантования ведет к зашумлению сигнала (так называемый шум дробления), в то время как выбор низкого значения частоты дискретизации ограничивает верхний порог сохраняемых частот.

Загрузка...

! Для качественной передачи голоса используется частота квантования амплитуды звуковых колебаний в 8000Гц. Для передачи голоса выбран диапазон от 300Гц до 3400Гц, частота дискретизации должна в два раза превышать самую высокую гармонику непрерывного сигнала: 3400Гц * 2= 6800Гц. Выбранная частота 8000Гц обеспечивает некоторый запас качества. В данном методе используются семь или восемь бит кода для представления амплитуды одного замера. При этом для передачи голоса необходима пропускная способность 56Кбит/с или 64Кбит/с:

7 * 8000Гц= 56000 бит/с=56Кбит/с;

8 * 8000Гц= 64000 бит/с=64Кбит/с.

Стандартным является цифровой канал со скоростью 64Кбит/с, который называется элементарным каналом цифровых телефонных сетей. Строго должен соблюдаться временной интервал в 125 мкс между замерами иначе искажается передача голоса. Так же строго должна соблюдаться синхронизация.

В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста) частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот, информация о которых сохраняется в оцифрованном сигнале. А именно: максимальная частота спектральных составляющих сигнала равна половине частоты дискретизации. На практике это означает, что аудио-CD, несущий данные, дискретизованные с частотой 44,1 кГц, несет информацию об оригинальной записи в полосе частот от 0 Гц до 22050 Гц. Человеческий слуховой аппарат, кстати, способен улавливать частоты в диапазоне (приблизительно) 0–20 кГц.

Еще одним нежелательным эффектом оцифровки является так называемый джиттер (от англ. jitter — дрожание). Джиттер — это шум, возникающий вследствие нестабильности АЦП. Нестабильность этого электронного устройства выражается в том, что оцифровка проходит не с точно установленным шагом дискретизации, а с небольшими отклонениями от его номинального значения. Такое «дрожание АЦП» вносит в спектр сигнала паразитные высшие гармоники.

Для уменьшения объемов цифровых данных было предложено много разных способов их записи. Самый простой способ уплотнения заключается в записи не абсолютных значений амплитуды сигнала, а относительных изменений величины амплитуды (на запись которых можно тратить меньше бит, чем в случае ИКМ). Такой формат хранения данных носит название «адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция» или АОИКМ (ADPCM — Adaptive Delta PCM). Однако, несмотря на свою простоту и достаточно широкую распространенность, этот способ оказывается не слишком удачным, поскольку ограничение числа бит, используемых для записи величины изменения амплитуды, как правило, приводит к искажению сигнала.

На сегодняшний день существуют другие способы сжатия цифровых аудиоданных, которые в целом можно разделить на два принципиально различных типа: способы сжатия данных без потерь (lossless compression) и с потерями (lossy compression).

Цель сжатия без потерь заключается в достижении как можно более эффективного уплотнения цифровых данных с обязательным условием возможности последующего стопроцентного восстановления оригинальных данных. В целом, lossless-компрессор — это архиватор (как ZIP, RAR или другой), внутренний механизм сжатия которого адаптирован специально на сжатие аудиоинформации. Компрессоры этого типа на большинстве типов аудио данных обеспечивают в лучшем случае двойное сжатие, что является чаще всего наилучшим результатом сжатия даже теоретически.

Коэффициента уплотнения данных, обеспечиваемого lossless-компрессией, часто оказывается недостаточно. В таком случае прибегают к более эффективной компрессии — сжатию данных с потерями. Основная идея в том, что формат ИКМ избыточен и ИКМ данные могут быть уплотнены.

Человеческий слух не идеален: он инертен, его реакция и чувствительность конечны. Существует множество тому доказательств. Например: при звучании тихого тона на фоне близкого к нему по частоте громкого тона, слух воспримет только более громкий из них. Слух вообще не способен различить два тона, отличающихся друг от друга меньше чем на 3 Гц; слух абсолютно не способен различить резкое пропадание звучания высоких частот, если этот провал произошел меньше чем на 2 мс. Эти и многие другие особенности слуха называются психоакустическими.

Цель кодирования с потерями заключается в достижении как можно более эффективного сжатия при сохранении схожести звучания закодированного сигнала с несжатым цифровым. Lossy-сжатие в общем проходит по следующей схеме: «упрощение» цифрового аудио сигнала (с учетом целого ряда психоакустических особенностей), а затем сжатие упрощенных данных каким-нибудь lossless-алгоритмом. Примеров lossy-алгоритмов и их реализаций существует много. Lossy-алгоритмы это: MPEG-1 Layer 1, 2, 3 (Layer 3 — это всем известный MP3), MPEG-2/4 AAC, Real Audio (файлы .RA), Ogg Vorbis (файлы .OGG), MusePack (два последних основаны на MPEG-1 Layer 2), Windows Media Audio (файлы .WMA) и многие-многие другие. Здесь нужно отметить, что как бы разработчики ни рекламировали свои компрессоры, lossy-кодирование — это всегда кодирование с потерями качества, и звучание закодированных таким образом данных уже не является звучанием оцифрованного оригинального сигнала, а лишь очень на него похоже. При этом степень «схожести» звучания зависит от «агрессивности» упрощения сигнала при сжатии: чем больше упрощается сигнал в процессе сжатия, тем более высокий коэффициент компрессии может быть достигнут, но тем хуже звучат закодированные таким образом данные.

К концу тысячелетия ситуация на рынке несколько изменилась. Во-первых, «уникальный» и обеспечивавший «высочайшее качество звучания» компакт-диск стал столь же привычным, как когда-то компакт-кассета. Сформировалась даже прослойка потребителей, которых не удовлетворяло качество CD-звучания. С другой стороны, подходил к концу срок патента на CD, принадлежавший Sony и Philips. Таким образом, новых форматов хранения звука требовали «и верхи, и низы». В результате разработок на рынке появилось два новых формата — DVD-Audio (DVD-A) и Super Audio CD (SACD). Интересно, что на уровне носителей и структуры данных DVD-A и SACD похожи. Более того, в стандарте DVD-A теоретически предусмотрена поддержка кодирования DSD, лежащего в основе технологии SACD. Очевидно, что появление двух разных hi-end-форматов вызвано не столько техническими, сколько финансовыми разногласиями между компаниями-разработчиками (DVD-форум и Sony-Philips).

DVD-A предназначен для хранения аудиоданных в шести каналах в формате ИКМ. Параметры данных — 16–24 бит (разрядность квантования) и 96—192 кГц (частота дискретизации). DVD-A диск, как любой односторонний однослойный диск DVD, имеет объем 4,7 Гбайт. Скорость чтения данных с дисков DVD-A составляет 9,6 Мбит/с. При хранении данных в формате 24 бит/96кГц/6 каналов поток аудио должен составлять 13,8 Мбит/с, что является недостижимой скоростью чтения для DVD-A. Чтобы обойти это ограничение, стандартом предусмотрено использование специальной техники lossless-сжатия аудио — MLP (Meridian Lossless Packing). Таким образом, данные в формате 24 бит/96 кГц/6 каналов, требующие в несжатом виде скорость потока 13,8 Мбит/с, будучи сжатыми (посредством MLP), могут вполне «уместиться» в дозволенные 9,6 Мбит/с.

Стоит отметить также, что при высокой частоте дискретизации разрекламированный многоканальный звук не поддерживается. То есть при частоте дискретизации 192 кГц запись можно прослушать, в лучшем случае, в стереоварианте. Кроме того, не каждый DVD-плейер «понимает» диски DVD-A. Для обеспечения совместимости многие диски DVD-А специально оснащены треками в формате Dolby Digital и DTS, которые легко распознаются проигрывателями DVD-Video.

Ключевым отличием SACD от DVD-A является формат хранения данных — не ИКМ, а однобитная сигма-дельта модуляция с частотой 2,8224 МГц. Несмотря на теоретически более высокое качество кодирования звука, чем в случае ИКМ, практическую выгоду от использования сигма-дельта модуляции на слух различить, вероятнее всего, невозможно. Правда, еще одной действительно полезной особенностью SACD является возможность выпуска гибридных носителей (Hybrid SACD) — дисков. Способных работать как в старых CD-приводах, так и в новых SACD (такая возможность достигается благодаря наличию на дисках SACD двух слоев с данными).

В самое ближайшее время ожидается анонс новой версии стандарта SACD — SACD II. В ней планируется ввести некоторые усовершенствования по защите данных, а также реализовать заложенные в стандарте возможности хранения видео- и фото-информации.

Почему же до сих пор многие ценители звука предпочитают аналоговые записи на ленте или грампластинке цифровым данным и носителям? На этот вопрос ответить сложно и любой ответ на него не будет объективен. Мне кажется, что на сегодняшнем уровне развития технологий пристрастие к аналоговому звуку можно объяснить только психологическими причинами. В свое время некоторые «аудиоманы» жаловались на то, что, например, CD-DA несет информацию только о слышимой части звукового спектра, в то время как сверхвысокие частоты (выше 22 кГц) безвозвратно теряются. Для современных носителей DVD-A и SACD это утверждение уже не актуально. Другие утверждали, что «цифра» несет «неживой» сигнал и что временная и амплитудная дискретизация портят звучание. Опровергнуть это заявление также несложно — даже магнитная лента (не говоря уже о виниловых дисках) тоже является дискретным носителем, поскольку количество магнитных доменов (носителей информации) в единице площади магнитного слоя является вполне конечной величиной.

Акустика для «психов»

Приверженности любителей винила раз и навсегда выбранному носителю можно только позавидовать. Сторонники цифры готовы привести сотни аргументов, объясняя, почему цифра лучше аналога, и усомниться в качестве звучания грампластинок (в конце концов, оригиналы, выпущенные до 80-х гг. прошлого века, как правило, в не очень хорошем состоянии, а новые пластинки зачастую пишутся с цифрового мастера, что делает разговор об аналоговом звуке бессмысленным). Однако все эти аргументы разбиваются о ледяное спокойствие аудиомана, который, с жалостью глядя на оппонента, произносит: — А звук-то у вашей цифры не живой.
Именно для этих людей и выпускаются такие экзотические устройства, как проигрыватель пластинок с лазерным звукоснимателем. Производитель Laser Turntable — японская фирма ELP (http://www.elpj.com/) — с гордостью сообщает, что за тринадцать лет было продано чуть больше тысячи устройств. Столь низкие объемы продаж не удивительны, если учесть, что самая дешевая модель проигрывателя стоит 10,5 тыс. долларов.
Впрочем, в низкой популярности есть свой плюс. Наверняка каждый владелец Laser Turntable, помимо того, что он может наслаждаться самым живым звуком мире, получает и неповторимое ощущение собственной уникальности.

 


Дата добавления: 2014-12-19; просмотров: 30 | Нарушение авторских прав

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Reloctype Описание| Дисциплинирование

lektsii.net - Лекции.Нет - 2014-2019 год. (0.013 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав