Цифровые и аналоговые системы передачи звука

Мы уже привыкли и не задумываясь произносим “передача и запись звука”, хотя эта фраза не совсем правильна, а точнее, совсем неправильна. Звук- это изменения во времени давления воздуха, и его запись в буквальном смысле велась разве что в фонографе Эдисона, а настоящей передачей звука занимался лишь капитан старого корабля, выкрикивающий команды в машинное отделение через переговорную трубу. Во всех остальных случаях записывается или передается не сам звук, а информация о том какими были колебания воздуха в тот момент. Для записи и передачи этой информации используются два принципиально различных способа. В первом случае изменениям давления соответствуют точно пропорциональные изменения другой физической величины, например, электрического напряжения, т.е. информация о звуке содержится уже в изменении напряжения, которое стало ее новым “носителем”. Такой способ называют аналоговым, и еще совсем недавно в радиовещании он был единственным. Изменению напряжения можно поставить в соответствие изменение магнитного поля ленты в магнитофоне или светового потока звуковой дорожки кинопленки при оптической записи. Но каким бы ни был новый “носитель”, его изменение всегда будет пропорционально изменению давления воздуха в исходной звуковой волне, т.е. останется ее аналогом. При втором способе информацию о давлении в цифровой форме получают, измеряя его значение в звуковой волне. Возникающая при этом последовательность чисел есть не что иное, как новое выражение исходных звуковых колебаний. Естественно, чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения нужно проводить достаточно часто- не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей. Если весь спектр частот передаваемого сигнала ограничен сверху частотой Fb, то по теореме Котельникова-Шеннона, имеющей важнейшее значение в технике цифровой передачи сигналов, частота измерений должна быть не меньше 2Fb, т.е. для передачи звуковой программы с полосой частот до 20 кГц потребуется не менее 40 тысяч измерений в секунду (квантований). Как и традиционная цифровая система передачи или записи звука в самом общем виде состоит из цифрового микрофона- быстрого измерителя звукового давления, цифрового передатчика или магнитофона – для записи или передачи большого массива чисел, и цифрового громкоговорителя – преобразователя последовательности чисел в изменении звукового давления. В реальных цифровых системах передачи звука пока используют в основном аналоговые электроакустические преобразователи – микрофоны и громкоговорители, а цифровой обработке подвергают электрические сигналы звуковой частоты. Структурная схема простейшей цифровой электроакустической системы: выходное напряжение микрофонного усилителя измеряется специальным цифровым “вольтметром”. Этот прибор, способный делать десятки тысяч измерений в секунду, преобразует напряжение аналога звука в последовательность чисел, поэтому он получил специальное название: аналого- цифровой преобразователь(АЦП). Если частота колебаний очень низка, поток чисел получается небольшим, и их можно используя старые методы, например, передать по телеграфу или сохранить для будущего воспроизведения, записав, к примеру на бумагу. Имея такую запись, можно вновь воссоздать копию напряжения, ранее измеренного АЦП, с помощью “вольтметра наоборот”- цифро-аналогового преобразователя(ЦАП). Он преобразует поток чисел в напряжение, пропорциональное их значению. Подав это напряжение на обыкновенный усилитель мощности, а с него на громкоговоритель, получим цифровую звуковоспроизводящую систему. В цифровых системах обработки сигналов используют другие способы хранения и передачи числовых массивов. Существует принципиально разный характер воздействия шума и помех аналогового и цифрового трактов передачи на качество воспроизводимого сигнала. В аналоговом тракте помехи суммируются с полезным сигналом, и поэтому даже небольшой уровень шума существенно ухудшает качество передаваемой программы. В цифровой системе шум до некоторого, достаточно высокого(порогового) значения (точнее до тех пор, пока еще удается правильно распознать передаваемое число) вообще не влияет на качество передачи. Причину этого понять несложно. Представим , что на лист бумаги с записью числа упала клякса(помеха). Если чернила не очень “плотны”, сквозь них еще можно вполне надежно различить число, а следовательно, правильно восстановить исходный сигнал. Как видим, в этом случае, если сквозь кляксу различить записанное число не удастся, в востановленном сигнале появятся искажения. Замечательная особенность цифровых систем обработки сигналов- возможность обнаружить, а иногда(если при передаче чисел были использованы специальные коды, исправляющие ошибки) и исправить неверно принятую информацию. Для этого, кроме собственно чисел, необходимо передавать дополнительную информацию, например, о сумме всех цифр, составляющих передаваемое число, о суммах некоторых частичных комбинаций входящих в него цифр, т.е. использовать приемы составителей математических головоломок, предлагающих восстановить число по некоторым сведениям о нем. Любители таких головоломок хорошо знают, что их бывает вполне достаточно, чтобы получить верный ответ. При использовании кодов, исправляющих ошибки, задача восстановления принятой информации возлагается на специализированный процессор. Так же, как и на передающей стороне, он вычисляет признаки принятого числа и сравнивает их с той дополнительной информацией, которая была принята. Если принятые и вычисленные признаки совпадают, число принято правильно. Если же произошла ошибка и признаки не совпадают, то процессор должен “попытаться” восстановить исходное число. Количество дополнительно передаваемой информации выбирают таким, чтобы при минимальном увеличении информационного потока можно было однозначно исправлять наиболее вероятные ошибки и обнаруживать менее вероятные. Повышення устойчивость к помехам в цифровом тракте позволяет существенно увеличить плотность записи или уменьшить мощность радиопередатчика. Кстати, заметим, что в цифровых системах шум не накапливается при копировании и ретрансляции сигналов. Еще одной принципиальной особенностью цифровых систем являются ошибки, неизбежно возникающие при обработке сигнала. Дело в том, что точность измерения определяется разрешающей способностью АЦП. При передаче реальных звуковых программ зависимость ошибки от времени- гораздо сложнее, а ее спектр подобен спектру белого шума и занимает частотный диапазон от 0 до Fд. Появление ошибок эквивалентно тому, что после восстановления сигнала на приемной стороне к нему добавляется некоторый шум. Это – шум квантования, всегда присутствующий в цифровых системах. Ошибки можно рассматривать и как появление специфических искажений сигнала, особенно заметных при малых его уровнях. Понятно, что чем выше разрешающая способность АЦП, тем меньше ошибка, а следовательно, и интенсивность шума квантования. Если в исходной звуковой программе уже содержится некоторая доля шума, то для высококачественной передачи разрешающая способность АЦП и ЦАП бессмысленно делать выше, чем его уровень. Это позволяет установить разумные требования к техническим характеристикам ЦАП, АЦП и тракта передачи цифрового сигнала. Качество звуковой программы обычно оценивают тремя основными параметрами: уровнем шума, диапазоном воспроизводимых частот и величиной нелинейных искажений сигнала. В аналоговых системах передачи звука они во многом зависят от свойств носителя информации. Например, в магнитной звукозаписи уровень шума зависит от размера ферромагнитных частиц и однородности рабочего слоя ленты, диапазон рабочих частот определяется соотношением скорости движения ленты и ширины рабочего зазора магнитных головок, а величина нелинейных искажений зависит главным образом от формы кривой намагничивания частиц рабочего слоя. Так , при увеличении коэрцитивной силы рабочего слоя ленты снижается относительный уровень шума, но увеличивается коэффициент гармоник. В цифровой системе все эти параметры определяются только примененными ЦАП и АЦП. Ранее мы установили, что чем выше разрешающая способность АЦП, тем ниже уровень шума квантования- единственного источника шума в цифровой системе. Диапазон воспроизводимых частот в цифровой системе, как мы уже знаем, определяется частотой дискретизации Fд. На практике она обычно несколько превышает минимальное значение, которое необходимо по теореме Котельникова-Шеннона, и выбирается из соображений наилучшей совместимости с существующими средствами связи и записи цифровых сигналов. Нелинейные искажения, возникающие при цифровой обработке сигнала, зависят только от качества АЦП и ЦАП. Современная технология позволяет создавать эти приборы для цифровой передачи звука с коэффициентом гармоник(Кг) менее 0,002%. Таким образом подводя итог всему сказанному можно с уверенностью сказать, что цифровое радиовещание, цифровая передача звука - это современная технология, которая обладает удобством и высокими техническими показателями и подтверждением тому, является стремительное развитие цифрового радиовещания в мире.

15 января 2007г.