Тема: FAQ по mp3
Показать сообщение отдельно
Старый 25.07.2007, 17:02   #1
Strannik
Местный
 
Аватар для Strannik
 
Регистрация: 03.10.2006
Адрес: Москва
Сообщений: 576
Вы сказали Спасибо: 0
Поблагодарили 4 раз(а) в 4 сообщениях
Отправить сообщение для Strannik с помощью ICQ
По умолчанию FAQ по mp3

1.Цифровые и аналоговые сигналы: в чем разница?
2.Как звук представляется в цифровом виде?
Цифровые и аналоговые сигналы: в чем разница?

Наверно каждый второй слышал об аналоговом и цифровом представлении сигналов, но сказать в чем разница между ними могут лишь единицы. Попробуем разобраться в этом вопросе и определить те самые отличия.

Начнём с того, что стандартное аналоговое представление сигналов заключается в подобии форм в различных точках усилительного или передающего тракта. Мы получаем некую электрическую форму в виде кривой, описывающую исходный сигнал.

Оно максимально точно, хотя в тоже время подвержено различным факторам, влияющим на её параметры. Малейшее искажение формы электрического сигнала неминуемо повлечет за собой искажение формы и сигнала переносимого. Общее количество информации в несущем сигнале в совокупности равно количеству
информации в сигнале исходном. Таким образом, аналоговый сигнал в виду своей структуры исключает какую-либо защиту информации, как при длительном хранении, так и при различных инородных вмешательствах.

В отличие от аналоговых сигналов, цифровой сигнал подразумевает некую избыточность, защищающую информацию от воздействия паразитных помех. При этом изменениям подвергается сам несущий электрический сигнал, на его основу накладываются серьезные ограничения. Так, например, амплитуда приёма составляет только два предельных значения. Вся зона возможных амплитуд в этом случае будет делится на три составляющих:
1. минимум - нулевое значение.
2. промежуток - помехи.
3. максимум — единичное значение.

Вследствие чего, помеха, значение амплитуда которой меньше половины несущего сигнала, оказывается в промежутке и не влияет на качество передачи.
Помехи больше максимального значения также не имеют влияния, их длительность импульса составляет меньшую часть длительности информационного импульса, тем более что вход приёма ограничен специальным фильтром.
Созданный по такой технологии, цифровой сигнал переносит совершенно любую полезную информацию, которая представляет собой код последовательности битов — нулей и единиц. Редким исключением являются лишь электрические и звуковые сигналы. Их количество несомой информации в цифровом сигнале имеет более высокое значение, нежели в исходном варианте. Таким образом, конечный сигнал определяет избыточность относительно исходного, и как следствие формы искажений кривой несущего сигнала, при
которых еще сохраняется способность приемника правильно различать нули
и единицы, не влияя правильность получаемой информации. И в тоже время, воздействие значительных помех на форму сигнала может исказиться настолько сильно, что точная передача такой информации
станет полностью невозможной. Её заполняют ошибки, которые стандартный приемник мало того, что не сможет исправить, но и не сумеет обнаружить их.
В заключение, можно сказать, что цифровой сигнал хоть и является до конца несовершенным, но имеет существенные преимущества перед аналоговым, как в параметрах защиты, так и в качествах передачи.

Как звук представляется 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.

Строго говоря, любой аналоговый сигнал в конечном счете тоже дискретен как по времени, так и по величине — например, звуковой сигнал является результатом взаимодействия конечного числа атомов или молекул газов и твердых тел, электрический сигнал — результатом перемещения конечного числа элементарных зарядов (электронов) и т.п. Поэтому, говоря о дискретизации аналогового сигнала, имеют в виду значительно большую степень дискретности, которая поддается измерению приборами средней точности.

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 (квантование). Точность измерения (двоичная разрядность N получаемого дискретного значения) определяет уровень шума, вносимого квантованием, и динамический диапазон цифрового сигнала (теоретически, для цифрового сигнала в чистом виде, 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 от- счета 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 стан- дартные 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 (вре- меннАя 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.
__________________
Дорога - она для тех, кто готов пройти через собственный ад, ибо дорога есть удел зрячего и сильного.
Strannik вне форума