Цифровой звук. Вопросы качества

# howtocreatemusic

Для нашего уха звук — это колебания воздуха с частотой от 20 Гц до 20 кГц, причем верхняя граница зависит от возраста: у детей это 22–24 кГц, а к старости воспринимаемая частота снижается, вплоть до 8–12 кГц.

Частоты указанных пределов воспринимаются как вибрация, выше — человеком не воспринимаются.

Однако не вся полоса восприятия используются одинаково интенсивно, так речь воспринимается разборчиво в диапазоне от 500 до 3500 Гц. Но для прослушивания музыки этого недостаточно. В идеале воспроизводимый звук не должен отличаться от звукового поля микрофона. То есть аппаратура записи и воспроизведения не должна вносить искажений в границах восприятия человека.

Звук, который мы слышим из динамика, при записи проходит сначала электромеханическое преобразование в электрический сигнал; далее идет усиление и обработка аналогового электрического сигнала; аналого-цифровое преобразование; цифровая обработка сигнала; частотная коррекция; процедура записи.

После оцифрованный звук хранится и передается дальше. При воспроизведении сначала происходит цифровая обработка сигнала; потом следует цифро-аналоговое преобразование; обработка и усиление аналогового сигнала; электромеханическое преобразование в звуковые колебания.

Все эти процедуры вносят свои искажения. Процесс записи и обработки звука происходит, как правило, на студийном оборудовании, которое имеет гораздо лучшие показатели, чем бытовая аудиотехника. Поэтому, хотя искажения и существуют, они значительно меньшие, чем искажения, вносимые бытовой аппаратурой на стадии воспроизведения. При любительской звукозаписи появляются ошибки и на этапах записи.

Электромеханическое преобразование, производимое студийным микрофоном, дает очень слабый сигнал, который нуждается в усилении.

Даже в идеальных условиях профессиональной звукозаписывающей студии, из-за акустических шумов, динамический диапазон записываемой музыки может быть уже диапазона, обеспечиваемого 16-разрядным представлением звука.

При записи с нескольких микрофонов, сигнал обязательно обрабатывается: подбираются уровни громкости каналов, фильтруются шумы и т. д. Кроме того, уменьшается динамический диапазон сигнала, что приводит к значительному увеличению шумов. Но без этой процедуры при воспроизведении записи на бытовой аппаратуре она звучала бы неудовлетворительно.

Звуковой тракт вносит свои искажения, которые можно разделить на три группы:

Линейные искажения обусловлены амплитудно-частотной характеристикой звукового тракта и являются изменением соотношения амплитуд и фаз различных частотных составляющих. Частоты, первоначально отсутствовавшие в сигнале, не появляются.
Нелинейные искажения — изменение формы изначального сигнала, приводящее к появлению частот, отсутствующих в приходящем сигнале, но зависящих от него.
Помехи — появление в звуковом тракте посторонних частот, не связанных с полезным сигналом. Помехи появляются, например, от электромагнитных наводок, проникновения в звуковой тракт частоты питающего напряжения и т. д.

Однако все эти искажения возникают только в аналоговых цепях (поэтому рассуждения об амплитудно-частотной характеристике цифрового выхода вызывает улыбку у специалистов). Но не стоит забывать и о дефектах поверхности CD, DVD и других оптических носителей информации, на которых хранится звук, приводящих к потере данных.

С оцифровкой сигнала также связана масса искажений, но прежде разберем различие аналогового и цифрового сигнала.

В аналоговом сигнале напряжение со временем меняется плавно, сигнал непрерывен. Цифровой же сигнал дискретен — его значение изменяется мгновенно. Причем дискретность проявляется, как в частотной, так и в амплитудной области. Любое изменение значения сигнала подвергается дискретизации и, как следствие, округлению значений до ближайшего целого числа.

В результате появляется ошибка присущая только цифровой технике — ошибка квантования. При оцифровке сигнала частота дискретизации должна быть вдвое большей верхнего значения частоты рабочего диапазона. На практике это условие не выполняется и приходится применять фильтры высокого порядка, которые весьма дороги. Экономия на фильтрах приводит к появлению искажений и паразитных пиков.

Но цифровые технологии имеют и свои достоинства, одно из которых — неограниченная возможность увеличения качества сигнала достаточно простыми средствами. Так увеличением разрядности звуковых отсчетов до 36 бит снижаются внутренние искажения тракта до уровня недостижимого в аналоговой технике.

При хранении и передаче сигнала его качество не изменяется, что также является несомненным достоинством.

Существует мнение, что оптический цифровой выход лучше электрического. Но на самом деле никакой разницы нет, а для передачи сигнала на короткие расстояния (несколько метров) электрический кабель предпочтительнее при условии использования согласованного кабеля с нормированным волновым сопротивлением.

Тот факт, что качество стоит денег, не утратил актуальности и с появлением цифровых технологий. Изготовление хороших преобразователей сигнала и разработка алгоритмов обработки стоят дорого.

Акустическая система является последним звеном в звуковоспроизводящей цепочке, но значительную часть искажений вносят именно мониторы. При наличии дешевых колонок нет смысла покупать дорогой отдельный аудиоинтерфейс.

Отдельно стоит сказать и о цифровой обработке сигнала. Прежде всего, это заменитель аналогового преобразования, и является задачей физического моделирования. Решения подобных задач весьма ресурсоемки и требуют от разработчика высокой квалификации.

Попытки применить более простые методы (например, линейную интерполяцию) приводят к неудовлетворительным результатам, так как для человеческого уха характер искажений зачастую оказывается важнее их величины.

Получается, что функции, реализованные в профессиональном звуковом редакторе, могут значительно отличаться от таких же по названию функций в неспециализированной или бесплатной программе, где зачастую они реализуются лишь «для галочки».

Подводя итог, можно сказать, что при цифровой обработке сигнала источником искажений зачастую является некорректная работа программиста и его некомпетентность в некоторых областях знаний (например, физиологии человека, акустике, аудиотехнике и т. д.).

Источник: www.master-skills.ru

Дата добавления: 2015-05-10