- Автор учебного пособия
- Вологдин Э.И.
Учебное пособие по аудиотехнике для вузов. Рассмотрены методы аналого-цифрового преобразования аудио сигналов на основе линейной импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), сигма-дельта модуляции, дифференциальной ИКМ, дельта модуляция, адаптивной дифференциальной ИКМ, ИКМ с неравномерным шагом квантования, такие как мгновенное компандирование, почти мгновенное компандирование и ИКМ с плавающей запятой. Изложены основы теории и области применения. Много внимания уделено анализу ошибок квантования, их спектру и звучанию
В зависимости от назначения и технических требований в современной аудиотехнике аналого-цифровое преобразование (АЦП) аудио сигналов осуществляется на основе использования четырех видов модуляции: импульсно-кодовая модуляция с равномерным квантованием (линейная ИКМ),
импульсно-кодовая модуляция с неравномерным квантованием (с применением компандерных систем), дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ИКМ с предсказанием),
сигма-дельта модуляция (SDM).
Для улучшения отношения сигнал/шум (SNR) часто также применяется адаптивное квантование.
Линейная ИКМ преимущественно используется в студийной технике звукозаписи, в которой нет жестких ограничений в отношении допустимых скоростей цифровых потоков, и главным является высокое качество преобразования. В такой технике обычно применяются 22…24 разрядные АЦП с частотой дискретизации не ниже 48 кГц, стоимостью от 10 до 100 тысяч долларов.
Сигма-дельта модуляция является современным развитием ИКМ с предсказанием. В настоящее время она большей частью используется в массовой аппаратуре магнитной и оптической записи/воспроизведения звука, в которой главным критерием качества является технологичность массового производства и цена изделия. Число разрядов АЦП на основе этой модуляции не превышает 1…5 бит, но частота дискретизации может достигать 10…20 МГц, цена такого АЦП не превышает 1 доллара. Аналого-цифровое преобразование на основе SDM быстро совершенствуется, динамический диапазон расширяется до 100…120 дБ, благодаря чему становится возможным использовать его и в студийной технике.
Работа SDM основывается на двух принципах. Первое, уменьшение числа разрядов в кодовом слове без ухудшения SNR за счет увеличения частоты дискретизации. Второе, как следствие, увеличение частоты Найквиста далеко за пределы звукового диапазона и перенесение в эту область спектра шумов квантования. Это обеспечивает высокое значение SNR в звуковом диапазоне даже при одноразрядном квантовании.
Компандерные системы и дифференциальная ИКМ, как правило, используются в технике передачи звуковых сигналов по цифровым каналам связи, в которых главным является уменьшение скорости цифровых потоков. При этом речевой сигнал передается с использованием 8-разрядного кодирования с частотой дискретизации 8 кГц при скорости цифрового потока 64 или 32 Кбит/с. При передаче вещательных сигналов число разрядов увеличивается до 10…12, и частота дискретизации повышается до 22,05, 44,1 или 48 кГц. При этом скорость цифрового потока составляет 128 или 256 Кбит/с.
В компандерных системах для сокращения скорости цифрового потока на передающей стороне компрессор производит сжатие динамического диапазона звуковых сигналов, а на приемной стороне с помощью экспандера производится восстановление динамического диапазона. При этом сокращение скорости цифрового потока достигается за счет неравномерного квантования, при котором чем выше уровень сигнала, тем больше величина шага квантования. При использовании дифференциальной ИКМ для сокращения скорости цифрового потока кодируется и передается в тракт только разностный сигнал между текущим и предсказанным значениями звукового сигнала. Таким образом в обеих системах снижение скорости цифрового потока достигается за счет уменьшения статистической избыточности аудиосигналов. Поэтому такие способы аналого-цифрового преобразования можно назвать статистическим компрессированием звуковых сигналов.
