Опубликовано: 23.12.2018  
   

Проблемы оцифровки звука. Часть 1. Aliasing, Джиттер (Jitter).

Цифровой звук. Это слово зачастую считается синонимом «высшего качества». Действительно оцифровка звука избавляет нас от определённых проблем. Например, после того как аналоговый звук записан, в цифровом виде ему не страшны помехи. Но появляются другие проблемы, о которых мы и поговорим.

Проблемы оцифровки звука

В предыдущей статьях (Оцифровка звука, Аналоговый и Цифровой аудиосигналы), мы выяснили, что качество процесса преобразования звука из аналогово в цифровой зависит от частоты дискретизации (насколько часто АЦП берёт отсчёты мгновенного значения аналогово сигнала) и от разрядности квантования (точность преобразования значения напряжения в число).

Проблемы связанные с частотой дискретизации

Частота дискретизации, если представить её как последовательность, то это как частота кадров в кино. Например, если АЦП осуществляет выборку 10 раз в секунду, то это будет соответствовать частоте дискретизации 10 Hz.

При этом ширина полосы частот АЦП устроена так, что при частоте, например, той же — 10 Hz, максимальная частота, которую можно зарегистрировать равна 5 Hz. То есть, если берётся частота дискретизации меньше двухкратной частоты колебания, то уже невозможно определить все полуволны этого колебания и некоторые из них будут пропущены. С этой проблемой как раз связан такой эффект искажения звука, как aliasing.

 Aliasing

Когда сигнал превосходит верхний предел частоты АЦП (имеется ввиду предел, при котором АЦП может точно осуществлять преобразования аналогово в цифровой звук), то возникает эффект, имеющий название aliasing (наложение спектров) и приводящий к искажению сигнала. Здесь основная проблема кроется в самом АЦП, в его схеме аналого-цифрового преобразователя. И вот почему.

Чем выше частота сигнала, тем чаще будут «горбы» и «провалы» полуволны и тем ближе они будут расположены к друг другу (на рисунке показан синусоидальный сигнал с частотами 220 и 440 Hz)

220 Hz

440 Hz

Если частота дискретизации недостаточна для регистрации каждой из этих частей полуволны, то аналоговый сигнал при обратном преобразовании будет довольно сильно отличаться от оригинала.

Посмотрите на следующий рисунок:

При прослушивании данного сигнала вы услышите звук другой частоты. Он будет намного ниже. И называется он «ложная частота» или «побочная низкочастотная составляющая» в спектре дискретизированного сигнала.

Следовательно, эффект наложения (aliasing) возникает, когда АЦП не способен  осуществить выборку достаточную для получения нужной информации, чтобы точно произвести квантование сигнала. Получается, что дискретные отсчёты регистрируются недостаточно часто и вот эти верхние «горбы» и нижние «провалы» полуволны частично пропускаются. В результате при воспроизведении этого оцифрованного сигнала появляются ложные частоты.

Поэтому, чтобы этого эффекта не возникло, частота дискретизации АЦП должна как минимум в два раза превышать максимальную частоту колебания, выборку которого нужно осуществить.

44100 Hz откуда появилась это значение ?

Проблема о который мы говорили выше была известна давно, ещё в 1920-х гг. В это же время и появилась доказанная теорема Шеннона-Котельникова, которая в двух словах заключалось в том, что для качественной дискретизации сигнала частоты x частота дискретизации должна превышать эту частоту x как минимум вдвое. А максимально допустимая частота сигнала, при которой не возникает наложения спектров (aliasing), соответствующая заданной частоте дискретизации, получила название частоты Найквиста. Теперь поясним.

Мы уже рассмотрели, что в сигнале имеются полуволны. И если при аналого-цифровом преобразовании на каждый период сигнала приходится меньше двух дискретных выборок, то осуществить полный “захват” колебания оказывается невозможным. В итоге необходимо минимум два отсчёта на каждый период колебания.

Установив (с запасом) верхнюю границу слухового восприятия человека в пределах 22 000 Hz, частота дискретизации стала 44 000 Hz. В итоге международным стандартом Audio-CD была принята частота 44 100 Hz.

Именно при такой частоте цифровой сигнал сохранит всю информацию обо всех спектральных составляющих звука, слышимым человеку. Те же частоты, которые выше 22 000 Hz могут добавлять низкочастотные составляющие ложных частот и оказаться в области нашего слуха, придавая искажения звуку. Поэтому в схеме АЦП применяют сглаживающие фильтры, которые отсекают эту высокачастотную составляющую.

Ещё один интересный эффект это джиттер.

Джиттер ( jitter)

Переводиться как дрожание. Джиттер — это шум, который появляется, если осуществление выборки сигнала при дискретизации происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. Например, частота 44 100 Hz, соответственно отсчёты берутся каждые 1/44100 секунды. Но если отсчёты начинают браться немного раньше или позже, а входной сигнал естественно постоянно меняется, происходят ошибки. Уровень сигнала получается не совсем точный как у оригинала. При воспроизведении такого оцифрованного сигнала в звуке ощущается некоторое дрожание и искажения.

Здесь основная проблема кроется в нестабильности АЦП. Для борьбы с этим явлением применяют высокостабильные тактовые генераторы.

Проблемы связанные с разрядностью квантования

Если частота дискретизации отвечает за количество отсчётов (выборок сигнала) в единицу времени. То разрядность (глубина) квантования отвечает за точность, с которой регистрируется мгновенное значение входного сигнала.

При каждой выборке сигнала АЦП измеряет мгновенное значение входного аналогово сигнала и присваивает ему числовое значение. Например, если АЦП может кодировать мгновенное значение сигнала целым числом в пределах от 1 до 8 (т.е., округляя измеренное значение до ближайшего к нему целого числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8), то разрядность (глубина) квантования составляет 3 бит (бит — двоичная единица информации, принимает одно из двух значений, 0 или 1; таким образом, поскольку 8 = 2³, для записи в двоичном формате чисел от 1 до 8 необходимо трехразрядное, т.е. состоящее из трех битов, двоичное число). Соответственно, АЦП может закодировать сигнал только в этих рамках. Поэтому, если, например, АЦП нужно округлить промежуточное значение сигнала между 2 и 3, приходиться выбрать либо 2, либо 3. Конечно, 3 Bit — это очень мало и поэтому  в первых устройствах цифровой звукозаписи использовались 8 — и 12- разрядные АЦП.

Каждый добавленный Bit позволяет удваивать возможности регистрации уровней звукового давления. Например, 16 Bit  обеспечивает 65 000 значений сигнала в пределах заданного диапазона, а 24 Bit —  более 16 миллионов.

Одним из ярких примеров глубины квантования может быть мобильный телефон. Когда при разговоре разрядность уменьшается, звук становиться резким, неразборчивым, теряет естественность и появляются шумы.

Таким образом, от разрядности (глубины) квантования цифрового сигнала непосредственно зависит динамический диапазон звука, что очень важно для нашего слуха

Шум квантования (шум дробления)

Когда происходит оцифровка звука аналоговый сигнал преобразуется с некоторой погрешностью (подробнее здесь). Эта погрешность зависит от разрядности квантования. Чем она меньше, тем меньше восстановленный звук похож на исходный. Погрешности округления уровня сигнала, называются ошибками дискретизации (квантования) по уровню сигнала (шум квантования, шум дробления) и воспринимаются на слух как шумы.

Следовательно, глубина квантования позволяет расширить динамический диапазон цифрового сигнала и обеспечивает эффективное подавление фонового шума. Так как разница между между самыми тихими и максимально громкими звуками становиться больше, а чем шире динамический диапазон и тем выше отношение “сигнал — шум” системы.

Отношение уровня полезного сигнала к уровню фонового шума называется отношением “сигнал — шум”.

Если вам нравятся наши статьи, подписывайтесь на RSS! Ставьте лайки и делитесь статьями с друзьями!

А в следующей статье мы продолжим эту интересную темы, так как это ещё далеко не все проблемы, связанные с цифровым звуком…

Похожие записи

Рассказать о New Style Sound друзьям:

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.