Современные звуковые карты. Методы позиционирования и сжатия звука

Современные звуковые карты. Методы позиционирования и сжатия звука

Аннотация

В данной курсовой работе изучаются различные аспекты применения звуковых карт. Рассматриваются способы получения звука на компьютере, основные принципы формирования и отличия цифрового звука от аналоговово. Рассмотрен также стандарт MIDI, применяемый во многих профессиональных звуковых синтезаторах и т.п. Далее были подробно рассмотрены звуковые карты, имеющиеся сейчас на рынке (некоторые карты, которые были доступны в процессе создания курсовой были протестированны на реальных приложениях): как и новые, так и уже более распространенные. Т.к. многие звуковые карты сейчас поддерживают различные технологии позиционирования звука в пространстве, то был кратко рассмотрен вопрос теории восприятия звука человеческим ухом и накладываемые этим ограничения. Завершающим этапом стало изучение форматов, применяемых для хранения оцифрованного звука. Изучены были как форматы со сжатием без потерь, так и со сжатием с потерями (mp3 и ему подобные), основанные на особенностях человеческого слуха по восприятию различных частот. В работе использовалась информация из различных источников: сопроводительной документации к картам, сайтов фирм-производителей, независимых тестовых лабораторий, публикации из периодических изданий. Для подготовки данной пояснительной записки использовался текстовый процессор Microsoft Word из состава пакета Microsoft Office 97/2000, браузер Netscape Navigator 6.0. В качестве платформы для субъективной оценки качества звука изспользовалась следующая система:

Intel Celeron 500Mhz

MB FIC CP11Z

HDD Fujitsu 8,4GB

CD-ROM Samsung 24X

Звуковая подсистема:

звуковая плата A-trend Harmony 3DS724A на базе чипа Yamaha-724E

усилитель Вега У-120-СТЕРЕО

колонки Радиотехника С-90Д (трех полосные с фазоинвертором)

Введение

Компьютер - от английского “compute” - вычислять. Т.е., говоря по-русски, - всего-навсего вычислитель. И когда-то, давным-давно, это соответствовало применению компьютеров. Их использовали англичане для взлома кодов и шифров радиопередач Германии во время ВМВ. Их применяют и для прямо противоположной функции - кодирования и шифрования передаваемой информации. Они применялись для расчета сложнейших траекторий полета первых (да и последних) искусственных спутников Земли и других планет. И существует еще большое число ветвей и отраслей науки и промышленности, в которых невозможно обойтись без вычислительных мощностей компьютеров. Однако, изначально Электронно Вычислительную Машину всегда пытались использовать не только по прямому назначению, но и чуточку по другому. Вначале простые крестики-нолики и морской бой. Потом, когда у машины появился дисплей, ее научили рисовать различные “картинки” из символов. Дальше, до движущихся по экрану различных фигурок, оставалось совсем немного. Сейчас уже игры без графики мало кому нужны, кроме фэнов. Но… Присмотримся к этому процессу чуть внимательней: “символы->картинки из значков->статичные картинки->полномасштабное видео”. Компьютеры становились меньше, надежнее, долговечнее, быстрее…

Как видим, путь проделан немалый, и все-таки - это эволюция, растянувшаяся на полвека. Масштабное же событие, произошедшее около 10 лет назад назвать другим словом, как революция, вряд ли можно. На персональный компьютер пришел звук. Отголоски этого события продолжают сотрясать комьютерный мир до сих пор. Звук позволил сделать компьютер из принадлежности редкого бизнесмена в суровую необходимость для каждого. Он совершил фурор в индустрии производства музыкальной аппаратуры и звукозаписи. Раньше требовалось иметь проигрыватель виниловых дисков, компакт-кассет, компакт-дисков и прочую технику. Теперь достаточно одного - компьютера. Он уже играет, поет и даже обновленную версию рецепта клубничного пирога с джемом может из интернета скачать и переслать СВСВЧП (Сверх Интеллектуально Сверх Высокочастотной Печке). Только вот кофе пока не варит. Но и это, я думаю, скоро кто-нибудь исправит.

Компьютер потеснил такие традиционные истоники дохода и развлечений как казино, кино, театр. Осталось только научить компьютер работать и делать уборку в квартире, и все… Он действительно будет “везде”, и человек не сможет без него обходиться. А вот компьютер без человека?

И все лишь из-за чего? Из-за маленькой платки с несколькими копеечными радиодеталями, кошмарными шумами и огромными амбициями. Sound Blaster так сказать, версии 1.0. Производства фирмы Creative Labs из далекого Сингапура. Не она первой выпустила звуковую карту, но она смогла популяризовать эту идею в массах. Создать имя и завоевать рынок. Словосочетание “Sound Blaster” стало синонимом “звуковой карты”. И теперь компьютер без “звука” - это не компьютер. Как же так! Ведь он сможет проиграть при входе в “Windows” бравурное “Та-да!!!” И все - комьютер становится бесполезной грудой никому не нужного хлама.

Мне кажется, что все вышеприведенное должно немного заинтересовать. Ведь именно появление звука стало первым камнем в той лавине, которая обрушивается сейчас на головы несчастных потребителей услуг и товаров из сферы высоких технологий. “Полная 3Д акселерация” кричат одни, “Потрясающее качество воспроизведения ДВД” заявляют третьи, “Только у нас - самый настоящий трехмерный звук” похваляются третьи. И так - до бесконечности.

Вот почему я выбрал в качестве темы для курсовой это направление. Оно весьма обширно и полно обхватить его не позволяет ни скромный объем пояснительной записки, ни требуемое время. Поэтому я постарался ответить на поставленые вопросы, используя свой небольшой опыт в работе на “железном” (аппаратном) обеспечении компьютеров.

1. Цифровое представление звуковых сигналов

Отличия цифрового представления сигналов от аналогового

Традиционное аналоговое представление сигналов основано на подобии (аналогичности) электрических сигналов (изменений тока и напряжения) представленным ими исходным сигналам (звуковому давлению, температуре, скорости и т.п.), а также подобии форм электрических сигналов в различных точках усилительного или передающего тракта. Форма электрической кривой, описывающей (также говорят - переносящей) исходный сигнал, максимально приближена к форме кривой этого сигнала.

Такое представление наиболее точно, однако малейшее искажение формы несущего электрического сигнала неизбежно повлечет за собой такое же искажение формы и сигнала переносимого. В терминах теории информации, количество информации в несущем сигнале в точности равно количеству информации в сигнале исходном, и электрическое представление не содержит избыточности, которая могла бы защитить переносимый сигнал от искажений при хранении, передаче и усилении.

Цифровое представление электрических сигналов призвано внести в них избыточность, предохраняющую от воздействия паразитных помех. Для этого на несущий электрический сигнал накладываются серьезные ограничения - его амплитуда может принимать только два предельных значения - 0 и 1.

Вся зона возможных амплитуд в этом случае делится на три зоны: нижняя представляет нулевые значения, верхняя - единичные, а промежуточная является запрещенной - внутрь нее могут попадать только помехи. Таким образом, любая помеха, амплитуда которой меньше половины амплитуды несущего сигнала, не оказывает влияния на правильность передачи значений 0 и 1. Помехи с большей амплитудой также не оказывают влияния, если длительность импульса помехи ощутимо меньше длительности информационного импульса, а на входе приемника установлен фильтр импульсных помех.

Сформированный таким образом цифровой сигнал может переносить любую полезную информацию, которая закодирована в виде последовательности битов - нулей и единиц; частным случаем такой информации являются электрические и звуковые сигналы. Здесь количество информации в несущем цифровом сигнале значительно больше, нежели в кодированном исходном, так что несущий сигнал имеет определенную избыточность относительно исходного, и любые искажения формы кривой несущего сигнала, при которых еще сохраняется способность приемника правильно различать нули и единицы, не влияют на достоверность передаваемой этим сигналом информации. Однако в случае воздействия значительных помех форма сигнала может искажаться настолько, что точная передача переносимой информации становится невозможной - в ней появляются ошибки, которые при простом способе кодирования приемник не сможет не только исправить, но и обнаружить. Для еще большего повышения стойкости цифрового сигнала к помехам и искажениям применяется цифровое избыточное кодирование двух типов: проверочные (EDC - Error Detection Code, обнаруживающий ошибку код) и корректирующие (ECC - Error Correction Code, исправляющий ошибку код) коды. Цифровое кодирование состоит в простом добавлении к исходной информации дополнительных битов и/или преобразовании исходной битовой цепочки в цепочку большей длины и другой структуры. EDC позволяет просто обнаружить факт ошибки - искажение или выпадение полезной либо появление ложной цифры, однако переносимая информация в этом случае также искажается; ECC позволяет сразу же исправлять обнаруженные ошибки, сохраняя переносимую информацию неизменной. Для удобства и надежности передаваемую информацию разбивают на блоки (кадры), каждый из которых снабжается собственным набором этих кодов.

Каждый вид EDC/ECC имеет свой предел способности обнаруживать и исправлять ошибки, за которым опять начинаются необнаруженные ошибки и искажения переносимой информации. Увеличение объема EDC/ECC относительно объема исходной информации в общем случае повышает обнаруживающую и корректирующую способность этих кодов.

В качестве EDC популярен циклический избыточный код CRC (Cyclic Redundancy Check), суть которого состоит в сложном перемешивании исходной информации в блоке и формированию коротких двоичных слов, разряды которых находятся в сильной перекрестной зависимости от каждого бита блока. Изменение даже одного бита в блоке вызывает значительное изменение вычисленного по нему CRC, и вероятность такого искажения битов, при котором CRC не изменится, исчезающе мала даже при коротких (единицы процентов от длины блока) словах CRC. В качестве ECC используются коды Хэмминга (Hamming) и Рида-Соломона (Reed-Solomon), которые также включают в себя и функции EDC.

Информационная избыточность несущего цифрового сигнала приводит к значительному (на порядок и более) расширению полосы частот, требуемой для его успешной передачи, по сравнению с передачей исходного сигнала в аналоговой форме. Кроме собственно информационной избыточности, к расширению полосы приводит необходимость сохранения достаточно крутых фронтов цифровых импульсов.

Кроме целей помехозащиты, информация в цифровом сигнале может быть подвергнута также линейному или канальному кодированию, задача которого - оптимизировать электрические параметры сигнала (полосу частот, постоянную составляющую, минимальное и максимальное количество нулевых/единичных импульсов в серии и т.п.) под характеристики реального канала передачи или записи сигнала.

Полученный несущий сигнал, в свою очередь, также является обычным электрическим сигналом, и к нему применимы любые операции с такими сигналами - передача по кабелю, усиление, фильтрование, модуляция, запись на магнитный, оптический или другой носитель и т.п. Единственным ограничением является сохранение информационного содержимого - так, чтобы при последующем анализе можно было однозначно выделить и декоди- ровать переносимую информацию, а из нее - исходный сигнал.

Способы представления звука в цифровом виде

Исходная форма звукового сигнала - непрерывное изменение амплитуды во времени - представляется в цифровой форме с помощью "перекрестной дискретизации" - по времени и по уровню.

Согласно теореме Котельникова, любой непрерывный процесс с ограниченным спектром может быть полностью описан дискретной последовательностью его мгновенных значений, следующих с частотой, как минимум вдвое превышающей частоту наивысшей гармоники процесса; частота Fd выборки мгновенных значений (отсчетов) называется частотой дискретизации.

Из теоремы следует, что сигнал с частотой Fa может быть успешно дискретизирован по времени на частоте 2Fa только в том случае, если он является чистой синусоидой, ибо любое отклонение от синусоидальной формы приводит к выходу спектра за пределы частоты Fa. Таким образом, для временнОй дискретизации произвольного звукового сигнала (обычно имеющего, как известно, плавно спадающий спектр), необходим либо выбор частоты дискретизации с запасом, либо принудительное ограничение спектра входного сигнала ниже половины частоты дискретизации.

Одновременно с временнОй дискретизацией выполняется амплитудная - измерение мгновенных значений амплитуды и их представление в виде числовых величин с определенной точностью. Точность измерения (двоичная разрядность N получаемого дискретного значения) определяет соотношение сигнал/шум и динамический диапазон сигнала (теоретически это - взаимно-обратные величины, однако любой реальный тракт имеет также и собственный уровень шумов и помех).

Полученный поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени сигнала представляется собственным цифровым кодом.

Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое значение отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической природы слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это сопряжено с трудностями чисто технического характера.

ВременнАя дискретизация и амплитудное квантование сигнала неизбежно вносят в сигнал шумовые искажения, уровень которых принято оценивать по формуле 6N + 10lg (Fдискр/2Fмакс) + C (дБ), где константа C варьируется для разных типов сигналов: для чистой синусоиды это 1.7 дБ, для звуковых сигналов - от -15 до 2 дБ. Отсюда видно, что к снижению шумов в рабочей полосе частот 0..Fмакс приводит не только увеличение разрядности отсчета, но и повышение частоты дискретизации относительно 2Fмакс, поскольку шумы квантования "размазываются" по всей полосе вплоть до частоты дискретизации, а звуковая информация занимает только нижнюю часть этой полосы.

В большинстве современных цифровых звуковых систем используются стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный диапазон сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-разрядное квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум около 98 дБ. В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения - 18-, 20- и 24-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192 кГц. Это делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые непосредственно не воспринимаются слухом, но влияют на формирование общей звуковой картины.

Для оцифровки более узкополосных и менее качественных сигналов частота и разрядность дискретизации могут снижаться; например, в телефонных линиях применяется 7- или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц.

Представление аналогового сигнала в цифровом виде называется также импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, PCM - Pulse Code Modulation), так как сигнал представляется в виде серии импульсов постоянной частоты (временнАя дискретизация), амплитуда которых передается цифровым кодом (амплитудная дискретизация). PCM-поток может быть как параллельным, когда все биты каждого отсчета передаются одновременно по нескольким линиям с частотой дискретизации, так и последовательным, когда биты передаются друг за другом с более высокой частотой по одной линии.

Сам цифровой звук и относящиеся к нему вещи принято обозначать общим термином Digital Audio; аналоговая и цифровая части звуковой системы обозначаются терминами Analog Domain и Digital Domain.

АЦП и ЦАП

Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй выполняет обратное преобразование. В англоязычной литературе применяются термины ADC и DAC, а совмещенный преобразователь называют codec (coder-decoder).

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.

Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

При временнОй дискретизации спектр полученного импульсного сигнала в своей нижней части 0..Fa повторяет спектр исходного сигнала, а выше содержит ряд отражений (aliases, зеркальных спектров), которые расположены вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник (боковые полосы). При этом первое отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa располагается непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления аналогового фильтра (anti-alias filter) с высокой крутизной среза. В АЦП этот фильтр устанавливается на входе, чтобы исключить перекрытие спектров и их интерференцию, а в ЦАП - на выходе, чтобы подавить в выходном сигнале надтональные помехи, внесенные временнОй дискретизацией.

Устройство АЦП и ЦАП

В основном применяется три конструкции АЦП: параллельные - входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. В таком АЦП количество компараторов равно (2 в степени N) - 1, где N - разрядность цифрового кода (для восьмиразрядного - 255), что не позволяет наращивать разрядность свыше 10-12 последовательного приближения - преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый со входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала.

С измерением временнЫх интервалов - широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временнЫе интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда называются также считающими АЦП.

Среди АЦП с измерением временнЫх интервалов преобладают следующие три типа: последовательного счета, или однократного интегрирования (single-slope) - в каждом такте преобразования запускается генератор линейно возрастающего напряжения, которое сравнивается со входным.

Обычно такое напряжение получают на вспомогательном ЦАП, подобно АЦП последовательного приближения.

Двойного интегрирования (dual-slope) - в каждом такте преобразования входной сигнал заряжает конденсатор, который затем разряжается на источник опорного напряжения с измерением длительности разряда.

Следящие - вариант АЦП последовательного счета, при котором генератор эталонного напряжения не перезапускается в каждом такте, а изменяет его от предыдущего значения до текущего.

Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является sigma-delta, работающий на частоте Fs, значительно (в 64 и более раз) превышающей частоту дискретизации Fd выходного цифрового сигнала. Компаратор такого АЦП выдает значения пониженной разрядности (обычно однобитовые - 0/1), сумма которых на интервале дискретизации Fd пропорциональна величине отсчета. Последовательность малоразрядных значений подвергается цифровой фильтрации и понижению частоты следования (decimation), в результате чего получается серия отсчетов с заданной разрядностью и частотой дискретизации Fd.

Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния ошибок квантования, которое в случае однобитового преобразователя получается довольно высоким, применяется метод формовки шума (noise shaping) через схемы обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате применения этого метода форма спектра шума меняется так, что основная шумовая энергия вытесняется в область выше половины частоты Fs, незначительная часть остается в нижней половине, и практически весь шум удаляется из полосы исходного аналогового сигнала.

ЦАП в основном строятся по трем принципам: взвешивающие - с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit).

Sigma-delta, с предварительной цифровой передискретизацией и выдачей малоразрядных (обычно однобитовых) значений на схему формирования эталонного заряда, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу. Такие ЦАП носят также название bitstream.

С широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда. На этом принципе работают преобразователи MASH (Multi-stAge Noise Shaping - многостадийная формовка шума) фирмы Matsushita. Свое название эти ЦАП получили по причине применения в них нескольких последовательных формирователей шума.

При использовании передискретизации в десятки раз (обычно - 64x..512x) становится возможным уменьшить разрядность ЦАП без ощутимой потери качества сигнала; ЦАП с меньшим числом разрядов обладают также лучшей линейностью. В пределе количество разрядов может сокращаться до одного.

Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочастотного шума, который, тем не менее, эффективно подавляется аналоговым фильтром даже среднего качества.

ЦАП являются "прямыми" устройствами, в которых преобразование выполняется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве своем - последовательные и более медленные устройства.

Передискретизация (oversampling)

Это дискретизация сигнала с частотой, превышающей основную частоту дискретизации. Передискретизации может быть аналоговой, когда с повышенной частотой делаются выборки исходного сигнала, или цифровой, когда между уже существующими цифровыми отсчетами вставляются дополнительные, рассчитанные путем интерполяции. Другой способ получения значений промежуточных отсчетов состоит во вставке нулей, после чего вся последовательность подвергается цифровой фильтрации. В АЦП используется аналоговая передискретизация, в ЦАП - цифровая.

Передискретизация используется для упрощения конструкций АЦП и ЦАП. По условиям задачи на входе АЦП и выходе ЦАП должен быть установлен аналоговый фильтр с АЧХ, линейной в рабочем диапазоне и круто спадающей за его пределами. Реализация такого аналогового фильтра весьма сложна; в то же время при повышении частоты дискретизации вносимые ею отражения спектра пропорционально отодвигаются от основного сигнала, и аналоговый фильтр может иметь гораздо меньшую крутизну среза.

Другое преимущество передискретизации состоит в том, что ошибки амплитудного квантования (шум дробления), распределенные по всему спектру квантуемого сигнала, при повышении частоты дискретизации распределяются по более широкой полосе частот, так что на долю основного звукового сигнала приходится меньшее количество шума. Каждое удвоение частоты снижает уровень шума квантования на 3 дБ; поскольку один двоичный разряд эквивалентен 6 дБ шума, каждое учетверение частоты позволяет уменьшить разрядность преобразователя на единицу.

Передискретизация вместе с увеличением разрядности отсчета, интерполяцией отсчетов с повышенной точностью и выводом их на ЦАП надлежащей разрядности позволяет несколько улучшить качество восстановления звукового сигнала. По этой причине даже в 16-разрядных системах нередко применяются 18- и 20-разрядные ЦАП с передискретизацией.

АЦП и ЦАП с передискретизацией за счет значительного уменьшения времени преобразования могут обходиться без схемы выборки-хранения.

Достоинства и недостатки цифрового звука

Цифровое представление звука ценно прежде всего возможностью бесконечного хранения и тиражирования без потери качества, однако преобразование из аналоговой формы в цифровую и обратно все же неизбежно приводит к частичной его потере. Наиболее неприятные на слух искажения, вносимые на этапе оцифровки - гранулярный шум, возникающий при квантовании сигнала по уровню из-за округления амплитуды до ближайшего дискретного значения. В отличие от простого широкополосного шума, вносимого ошибками квантования, гранулярный шум представляет собой гармонические искажения сигнала, наиболее заметные в верхней части спектра.

Мощность гранулярного шума обратно пропорциональна количеству ступеней квантования, однако из-за логарифмической характеристики слуха при линейном квантовании (постоянная величина ступени) на тихие звуки приходится меньше ступеней квантования, чем на громкие, и в результате основная плотность нелинейных искажений приходится на область тихих звуков. Это приводит к ограничению динамического диапазона, который в идеале (без учета гармонических искажений) был бы равен соотношению сигнал/шум, однако необходимость ограничения этих искажений снижает динамический диапазон для 16-разрядного кодирования до 50-60 дБ.

Положение могло бы спасти логарифмическое квантование, однако его реализация в реальном времени весьма сложна и дорога.

Искажения, вносимые гранулярным шумом, можно уменьшить путем добавления к сигналу обычного белого шума (случайного или псевдослучайного сигнала), амплитудой в половину младшего значащего разряда; такая операция называется сглаживанием (dithering). Это приводит к незначительному увеличению уровня шума, зато ослабляет корреляцию ошибок квантования с высокочастотными компонентами сигнала и улучшает субъективное восприятие. Сглаживание применяется также перед округлением отсчетов при уменьшении их разрядности. По существу, dithering и noise shaping являются частными случаями одной технологии - с той разницей, что в первом случае используется белый шум с равномерным спектром, а во втором - шум со специально "формованным" спектром.

При восстановлении звука из цифровой формы в аналоговую возникает проблема сглаживания ступенчатой формы сигнала и подавления гармоник, вносимых частотой дискретизации. Из-за неидеальности АЧХ фильтров может происходить либо недостаточное подавление этих помех, либо избыточное ослабление полезных высокочастотных составляющих. Плохо подавленные гармоники частоты дискретизации искажают форму аналогового сигнала (особенно в области высоких частот), что создает впечатление "шероховатого", "грязного" звука.

Интерфейсы, используемые для передачи цифрового звука

S/PDIF (Sony/Philiрs Digital Interface Format - формат цифрового интерфейса фирм Sony и Philiрs) - цифровой интерфейс для бытовой радиоаппаратуры.

AES/EBU (Audio Engineers Society / European Broadcast Union - общество звукоинженеров / европейское вещательное объединение) - цифровой интерфейс для студийной радиоаппаратуры.

Оба интерфейса являются последовательными и используют одинаковый формат сигнала и систему кодирования - самосинхронизирующийся код BMC (Biphase-Mark Code - код с представлением единицы двойным изменением фазы), и могут передавать сигналы в формате PCM разрядностью до 24 бит на частотах дискретизации до 48 кГц.

Каждый отсчет сигнала передается 32-разрядным словом, в котором 20 разрядов используются для передачи отсчета, а 12 - для формирования синхронизирующей преамбулы, передачи дополнительной информации и бита четности. 4 разряда из служебной группы могут использоваться для расширения формата отсчетов до 24 разрядов.

Помимо бита четности, служебная часть слова содержит бит достоверности (Validity), который должен быть нулевым для каждого достоверного отсчета. В случае приема слова с единичным битом Validity либо с нарушением четности в слове приемник трактует весь отсчет как ошибочный и может на выбор либо заменить его предыдущим значением, либо интерполировать на основе нескольких соседних достоверных отсчетов.

Отсчеты, помеченные как недостоверные, могут передавать CD-проигрыватели, DAT-магнитофоны и другие устройства, если при считывании информации с носителя не удалось скорректировать возникшие в процессе чтения ошибки.

Стандартно формат кодирования предназначен для передачи одно- и двухканального сигнала, однако при использовании служебных разрядов для кодирования номера канала возможна передача многоканального сигнала.

С электрической стороны S/PDIF предусматривает соединение коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и разъемами типа RCA ("тюльпан"), амплитуда сигнала - 0.5 В. AES/EBU предусматривает соединение симметричным экранированным двухпроводным кабелем с трансформаторной развязкой по интерфейсу RS-422 с амплитудой сигнала 3-10 В, разъемы - трехконтактные типа Cannon XLR. Существуют также оптические варианты приемопередатчиков - TosLink (пластмассовое оптоволокно) и AT&T Link (стеклянное оптоволокно).

Обработка цифрового звука

Цифровой звук обрабатывается посредством математических операций, применяемых к отдельным отсчетам сигнала, либо к группам отсчетов различной длины. Выполняемые математические операции могут либо имитировать работу традиционных аналоговых средств обработки (микширование двух сигналов - сложение, усиление/ослабление сигнала - умножение на константу, модуляция - умножение на функцию и т.п.), либо использовать альтернативные методы - например, разложение сигнала в спектр (ряд Фурье), коррекция отдельных частотных составляющих, затем обратная "сборка" сигнала из спектра.

Обработка цифровых сигналов подразделяется на линейную (в реальном времени, над "живым" сигналом) и нелинейную - над предварительно записанным сигналом. Линейная обработка требует достаточного быстродействия вычислительной системы (процессора); в ряде случаев невозможно совмещение требуемого быстродействия и качества, и тогда используется упрощенная обработка с пониженным качеством. Нелинейная обработка никак не ограничена во времени, поэтому для нее могут быть использованы вычислительные средства любой мощности, а время обработки, особенно с высоким качеством, может достигать нескольких минут и даже часов.

Для обработки применяются как универсальные процессоры общего назначения - Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC - так и специализированные цифровые сигнальные процессоры (Digital Signal Processor, DSP) Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx, Analog Devices ADSP-xxxx и др.

Разница между универсальным процессором и DSP состоит в том, что первый ориентирован на широкий класс задач - научных, экономических, логических, игровых и т.п., и содержит большой набор команд общего назначения, в котором преобладают обычные математические и логические операции. DSP специально ориентированы на обработку сигналов и содержат наборы специфический операций - сложение с ограничением, перемножение векторов, вычисление математического ряда и т.п. Реализация даже несложной обработки звука на универсальном процессоре требует значительного быстродействия и далеко не всегда возможна в реальном времени, в то время как даже простые DSP нередко справляются в реальном времени с относительно сложной обработкой, а мощные DSP способны выполнять качественную спектральную обработку сразу нескольких сигналов.

В силу своей специализации DSP редко применяются самостоятельно - чаще всего устройство обработки имеет универсальный процессор средней мощности для управления всем устройством, приема/передачи информации, взаимодействия с пользователем, и один или несколько DSP - собственно для обработки звукового сигнала. Например, для реализации надежной и быстрой обработки сигналов в компьютерных системах применяют специализированные платы с DSP, через которые пропускается обрабатываемый сигнал, в то время как центральному процессору компьютера остаются лишь функции управления и передачи.

Методы, используемые для обpаботки звука

1. Монтаж. Состоит в выpезании из записи одних участков, вставке дpугих, их замене, pазмножении и т.п. Hазывается также pедактиpованием. Все совpеменные звуко- и видеозаписи в той или иной меpе подвеpгаются монтажу.

2. Амплитудные пpеобpазования. Выполняются пpи помощи pазличных действий над амплитудой сигнала, котоpые в конечном счете сводятся к умножению значений самплов на постоянный коэффициент (усиление/ослабление) или изменяющуюся во вpемени функцию-модулятоp (амплитудная модуляция). Частным случаем амплитудной модуляции является фоpмиpование огибающей для пpидания стационаpному звучанию pазвития во вpемени.

Амплитудные пpеобpазования выполняются последовательно с отдельными самплами, поэтому они пpосты в pеализации и не тpебуют большого объема вычислений.

3. Частотные (спектpальные) пpеобpазования. Выполняются над частотными составляющими звука. Если использовать спектpальное pазложение - фоpму пpедставления звука, в котоpой по гоpизонтали отсчитываются частоты, а по веpтикали - интенсивности составля- ющих этих частот, то многие частотные пpеобpазования становятся похожими на амплитудные пpеобpазованиям над спектpом. Hапpимеp, фильтpация - усиление или ослабление опpеделенных полос частот - сводится к наложению на спектp соответствующей амплитудной огибающей. Однако частотную модуляцию таким обpазом пpедставить нельзя - она выглядит, как смещение всего спектpа или его отдельных участков во вpемени по опpеделенному закону.

Для pеализации частотных пpеобpазований обычно пpименяется спектpальное pазложение по методу Фуpье, котоpое тpебует значительных pесуpсов. Однако имеется алгоpитм быстpого пpеобpазования Фуpье (БПФ, FFT), котоpый делается в целочисленной аpифметике и позволяет уже на младших моделях 486 pазвоpачивать в pеальном вpемени спектp сигнала сpеднего качества. Пpи частотных пpеобpа- зованиях, кpоме этого, тpебуется обpаботка и последующая свеpтка, поэтому фильтpация в pеальном вpемени пока не pеализуется на пpоцессоpах общего назначения. Вместо этого существует большое количество цифpовых сигнальных пpоцессоpов (Digital Signal Processor - DSP), котоpые выполняют эти опеpации в pеальном вpемени и по нескольким каналам.

4. Фазовые пpеобpазования. Сводятся в основном к постоянному сдвигу фазы сигнала или ее модуляции некотоpой функцией или дpугим сигналом. Благодаpя тому, что слуховой аппаpат человека использует фазу для опpеделения напpавления на источник звука, фазовые пpеобpазования стеpеозвука позволяют получить эффект вpащающегося звука, хоpа и ему подобные.

5. Вpеменные пpеобpазования. Заключаются в добавлении к основному сигналу его копий, сдвинутых во вpемени на pазличные величи- ны. Пpи небольших сдвигах (поpядка менее 20 мс) это дает эффект pазмножения источника звука (эффект хоpа), пpи больших - эффект эха.

6. Фоpмантные пpеобpазования. Являются частным случаем частотных и опеpиpуют с фоpмантами - хаpактеpными полосами частот, встpечающимися в звуках, пpоизносимых человеком. Каждому звуку соот- ветствует свое соотношение амплитуд и частот нескольких фоpмант, котоpое опpеделяет тембp и pазбоpчивость голоса. Изменяя паpаметpы фоpмант, можно подчеpкивать или затушевывать отдельные звуки, менять одну гласную на дpугую, сдвигать pегистp голоса и т.п.

Звуковые эффекты

Вот наиболее pаспpостpаненные звуковые эффекты: - вибpато - амплитудная или частотная модуляция сигнала с небольшой частотой (до 10 Гц). Амплитудное вибpато также носит название тpемоло; на слух оно воспpинимается, как замиpание или дpожание звука, а частотное - как "завывание" или "плавание" звука (типичная неиспpавность механизма магнитофона).

- динамическая фильтpация (wah-wah - "вау-вау") - pеализуется изменением частоты сpеза или полосы пpопускания фильтpа с небольшой частотой. Hа слух воспpинимается, как вpащение или заслонение/откpывание источника звука - увеличение высокочастотных составляющих ассоцииpуется с источником, обpащенным на слушателя, а их уменьшение - с отклонением от этого напpавления.

- фленжеp (flange - кайма, гpебень). Hазвание пpоисходит от способа pеализации этого эффекта в аналоговых устpойствах - пpи помощи так называемых гpебенчатых фильтpов. Заключается в добавлении к исходному сигналу его копий, сдвинутых во вpемени на небольшие величины (до 20 мс) с возможной частотной модуляцией копий или величин их вpеменных сдвигов и обpатной связью (суммаpный сигнал снова копиpуется, сдвигается и т.п.). Hа слух это ощущается как "дpобление", "pазмазывание" звука, возникновение биений - pазностных частот, хаpактеpных для игpы в унисон или хоpового пения, отчего фленжеpы с опpеделенными паpаметpами пpименяются для получения хоpового эффекта (chorus). Меняя паpаметpы фленжеpа, можно в значительной степени изменять пеpвоначальный тембp звука.

- pевеpбеpация (reverberation - повтоpение, отpажение). Получается путем добавления к исходному сигналу затухающей сеpии его сдвинутых во вpемени копий. Это имитиpует затухание звука в помещении, когда за счет многокpатных отpажений от стен, потолка и пpочих повеpхностей звук пpиобpетает полноту и гулкость, а после пpекpащения звучания источника затухает не сpазу, а постепенно. Пpи этом вpемя между последовательными отзвуками (пpимеpно до 50 мс) ассоцииpуется с величиной помещения, а их интенсивность - с его гулкостью. По сути, pевеpбеpатоp пpедставляет собой частный случай фленжеpа с увеличенной задеpжкой между отзвуками основного сигнала, однако особенности слухового воспpиятия качественно pазличают эти два вида обpаботки.

- эхо (echo). Ревеpбеpация с еще более увеличенным вpеменем задеpжки - выше 50 мс. Пpи этом слух пеpестает субъективно воспpинимать отpажения, как пpизвуки основного сигнала, и начинает воспpинимать их как повтоpения. Эхо обычно pеализуется так же, как и естественное - с затуханием повтоpяющихся копий.

- дистошн (distortion - искажение) - намеpенное искажение фоpмы звука, что пpидает ему pезкий, скpежещущий оттенок. Hаибольшее пpименение получил в качестве гитаpного эффекта (классическая гитаpа heavy metal). Получается пеpеусилением исходного сигнала до появления огpаничений в усилителе (сpеза веpхушек импульсов) и даже его самовозбуждения. Благодаpя этому исходный сигнал становится похож на пpямоугольный, отчего в нем появляется большое количество новых частотных составляющих, pезко pасшиpяющих спектp. Этот эффект пpименяется в pазличных ваpиациях (fuzz, overdrive и т.п.), pазличающихся способом огpаничения сигнала (обычное или сглаженное, весь спектp или полоса частот, весь амплитудный диапазон или его часть и т.п.), соотношением исходного и искаженного сигналов в выходном, частотными хаpактеpистиками усилителей (наличие/отсутствие фильтpов на выходе).

- компpессия - сжатие динамического диапазона сигнала, когда слабые звуки усиливаются сильнее, а сильные - слабее. Hа слух воспpинимается как уменьшение pазницы между тихим и гpомким звучанием исходного сигнала. Используется для последующей обpаботки методами, чувствительными к изменению амплитуды сигнала. В звукозаписи используется для снижения относительного уpовня шума и пpедотвpащения пеpегpузок. В качестве гитаpной пpиставки позволяет значительно (на десятки секунд) пpодлить звучание стpуны без затухания гpомкости.

- фейзеp (phase - фаза) - смешивание исходного сигнала с его копиями, сдвинутыми по фазе. По сути дела, это частный случай фленжеpа, но с намного более пpостой аналоговой pеализацией (цифpовая pеализация одинакова). Изменение фазовых сдвигов суммиpуемых сигналов пpиводит к подавлению отдельных гаpмоник или частотных областей, как в многополосном фильтpе. Hа слух такой эффект напоминает качание головки в стеpеомагнитофоне - физические пpоцессы в обоих случаях пpимеpно одинаковы.

- вокодеp (voice coder - кодиpовщик голоса) - синтез pечи на основе пpоизвольного входного сигнала с богатым спектpом. Речевой синтез pеализуется пpи помощи фоpмантных пpеобpазований: выделение из сигнала с достаточным спектpом нужного набоpа фоpмант с нужными соотношениями пpидает сигналу свойства соответствующего гласного звука. Изначально вокодеpы использовались для пеpедачи кодиpованной pечи: путем анализа исходного pечевого сигнала из него выделялась инфоpмация об изменении положений фоpмант (пеpеход от звука к звуку), котоpая кодиpовалась и пеpедавалась по линии связи, а на пpиемном конце блок упpавляемых фильтpов и усилителей синтезиpовал pечь заново. Подавая на блок pечевого синтеза звучание, напpимеp, электpогитаpы и пpоизнося слова в микpофон блока анализа, можно получить эффект "pазговаpивающей гитаpы"; пpи подаче звучания с синтезатоpа получается известный "голос pобота", а подача сигнала, близкого по спектpу к колебаниям голосовых связок, но отличающегося по частоте, меняет pегистp голоса - мужской на женский или детский, и наобоpот.

К вопросу о хранении и передаче цифрового звука

Поскольку любой цифровой сигнал представляется реальной электрической кривой напряжения или тока - его форма так или иначе искажается при любой передаче, а "замороженный" для хранения сигнал (сигналограмма) подвержен деградации в силу обычных физических причин. Все эти воздействия на форму несущего сигнала являются помехами, которые до определенной величины не изменяют информационного содержания сигнала, как отдельные искажения и выпадения букв в словах обычно не мешают правильному пониманию этих слов, причем избыточность информации, как и увеличение длины слов, повышает вероятность успешного распознавания.

Другими словами, сам несущий сигнал может искажаться, однако переносимая им информация - закодированный звуковой сигнал - в абсолютном большинстве случаев остается неизменной.

Для того, чтобы качество несущего сигнала не ухудшалось, любая передача полезной звуковой информации - копирование, запись на носитель и считывание с него - обязательно должна включать операцию восстановления формы несущего сигнала, а в идеале - и первичного цифрового вида сигнала информационного, и лишь после этого заново сформированный несущий сигнал может быть передан следующему потребителю. В случае прямого копирования без восстановления (например, обычным переписыванием видеокассеты с цифровым сигналом, полученным при помощи ИКМ-приставки, на обычных видеомагнитофонах) качество цифрового сигнала ухудшается, хотя он по-прежнему полностью содержит всю переносимую им информацию. Однако после многократного последовательного копирования или длительного хранения качество ухудшается настолько, что начинают возникать неисправимые ошибки, необратимо искажающие переносимую сигналом информацию. Поэтому копирование и передачу цифровых сигналов необходимо вести только в цифровых устройствах, а при хранении на носителях - своевременно "освежать" не дожидаясь необратимой деградации (для магнитных носителей этот срок оценивается в несколько лет). Правильно переданная или обновленная цифровая сигналограмма качества не теряет и может копироваться и существовать вечно в абсолютно неизменном виде.

Тем не менее, не следует забывать, что корректирующая способность любого кода конечна, а реальные носители далеки от идеальных, поэтому возникновение неисправимых ошибок - на такая уж редкая вещь, особенно при неаккуратном обращении с носителем. При чтении с новых и правильно хранимых DAT-кассет или компакт-дисков в качественных и надежных аппаратах таких ошибок практически не возникает, однако при старении, загрязнении и повреждении носителей и считывающих систем их становится больше. Одиночная неисправленная ошибка почти всегда незаметна на слух благодаря интерполяции, однако она приводит к искажению формы исходного звукового сигнала, а накопление таких ошибок со временем начинает ощущаться и на слух.

Отдельную проблему составляет сложность регистрации неисправленных ошибок, а также проверки идентичности оригинала и копии. Чаще всего конструкторы цифровых звуковых устройств, работающих в реальном времени, не озабочены вопросом точной проверки достоверности передачи, считая вполне достаточными меры, принятые для коррекции ошибок. Невозможность в общем случае повторной передачи ошибочного отсчета или блока приводит к тому, что интерполяция происходит скрытно и после копирования нельзя с уверенностью сказать, точно ли скопирован исходный сигнал. Индикаторы ошибки, имеющиеся в ряде устройств, обычно включаются только в момент ее возникновения, и в случае одиночных ошибок их срабатывание легко может остаться незамеченным. Даже в системах на основе персональных компьютеров чаще всего нет возможности контролировать правильность приема по цифровому интерфейсу или прямого считывания CD; выходом является только многократное повторение операции и сравнение результатов.

И наконец, в принципе возможны ситуации, когда даже незначительные ошибки способны необратимо исказить передаваемую информацию, оставшись при этом незамеченными системой передачи. Другое дело, что вероятность возникновения подобных ошибок исчезающе мала (порядка одной на несколько лет непрерывной передачи сигнала), поэтому такую возможность практически нигде не принимают в расчет.

К вопросу о сохранении качества сигнала при цифровой обработке

Прежде всего, необходимо различать "искажающие" и "неискажающие" виды обработки. К первым относятся операции, изменяющие форму и структуру сигнала - смешивание, усиление, фильтрация, модуляция и т.п., ко вторым - операции монтажа (вырезка, вклейка, наложение) и переноса (копирования).

Качество сигнала может страдать только при "искажающей" обработке, причем любой - и аналоговой, и цифровой. В первом случае это происходит в результате внесения шумов, гармонических, интермодуляционных и других искажений в узлах аналогового тракта, во втором - благодаря конечной точности квантования сигнала и математических вычислений. Все цифровые вычисления выполняются в некоторой разрядной сетке фиксированной длины - 16, 20, 24, 32, 64, 80 и более бит; увеличение разрядности сетки повышает точность вычислений и уменьшает ошибки округления, однако в общем случае не может исключить их полностью. Конечная точность квантования первичного аналогового сигнала приводит к тому, что даже при абсолютно точной обработке полученного цифрового сигнала квантованное значение каждого отсчета все равно отличается от своего идеального значения. Для минимизации искажений при обработке в студиях предпочитают обрабатывать и хранить сигналограммы на мастер-носителях с повышенным разрешением (20, 24 или 32 разряда), даже если результат будет тиражироваться на носителе с меньшим разрешением.

Кроме собственно ошибок вычислений и округления, на точность сильно влияет выбор представления числовых отсчетов сигнала при обработке.

Традиционное представление PCM с так называемой фиксированной точкой (fixed point), когда отсчеты представляются целыми числами, наиболее удобно и влечет минимум накладных расходов, однако точность вычислений зависит от масштаба операций - например, при умножении образуются числа вдвое большей разрядности, которые потом приходится приводить обратно к разрядности исходных отсчетов, а это может привести к переполнению разрядной сетки. Компромиссным вариантом служит промежуточное увеличение разрядности отсчетов (например, 16->32), что снижает вероятность переполнения, однако требует большей вычислительной мощности, объема памяти и вносит дополнительные искажения при обратном понижении разрядности. Кроме того, снижению погрешности способствует правильный выбор последовательности коммутативных (допускающих перестановку) операций, группировка дистрибутивных операций, учет особенностей работы конкретного процессора и т.п.

Другим способом увеличения точности является преобразование отсчетов в форму с плавающей точкой (floating point) с разделением на значащую часть - мантиссу и показатель величины - порядок. В этой форме все операции сохраняют разрядность значащей части, и умножение не приводит к переполнению разрядной сетки. Однако, как само преобразование между формами с фиксированной и плавающей точкой, так и вычисления в этой форме требуют на порядки большего быстродействия процессора, что сильно затрудняет их использование в реальном времени.

Несмотря на то, что качество сигнала неизбежно, хоть и незначительно, ухудшается при любой "искажающей" цифровой обработке, некоторые операции при определенных условиях являются полностью и однозначно обратимыми.

Например, усиление сигнала по амплитуде в три раза заключается в умножении каждого отсчета на три; если эта операция выполнялась с фиксированной точкой и при этом не возникло переполнения, с помощью деления на три потом можно будет вернуть все отсчеты в исходное состояние, тем самым полностью восстановив первоначальное состояние сигнала. И в то же время после умножения каждый отсчет окажется увеличенным точно в три раза, поэтому ошибка относительно исходного аналогового сигнала, внесенная при квантовании, также увеличится в среднем в три раза, тем самым ухудшив общее качество сигнала.

Сказанное выше демонстрирует, что ухудшение качества при "искажающей" цифровой обработке совсем не обязательно накапливается со временем, хотя в большинстве реальных применений происходит именно так. Кроме того, это не означает, что любая операция цифрового усиления всегда будет однозначно обратимой - это зависит от многих особенностей применения операции. Тем не менее, грамотно и качественно реализованная цифровая обработка может давать существенно меньший уровень искажений, чем такая же аналоговая, разве что это будут искажения разных видов.

К вопросу о сохранении качества сигнала при цифровом преобразовании форматов