Передискретизация

Аналоговый выходной сигнал цифро-аналогового преобразователя непосредственно использовать нельзя. Его нужно сначала пропустить через фильтр нижних частот, чтобы не допустить искажений, связанных с гармониками частоты дискретизации. Один из способов устранения этой трудности – передискретизация: частота дискретизации повышается путем интерполяции, что дает дополнительные отсчеты.

Процесс преобразования последовательности отсчетов в аналоговый сигнал называется цифро-аналоговым преобразованием, а устройство - цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

На выходе ЦАП получается ступенчатый аналоговый сигнал, величина которого равна численному значению соответствующих отсчетов. Чтобы из ступенчатого сигнала получить гладкую кривую, его необходимо пропустить через ФНЧ с характеристикой, аналогичной той, которую имел ФНЧ на входе АЦП (рис. 6). Здесь также важно, чтобы спектр звукового диапазона не перекрывался спектром ближайшей боковой полосы, ибо это также приведет к появлению искажений.

Рис. 6 - Блок цифро-аналогового преобразования

Для этого характеристика ФНЧ должна иметь достаточно крутой срез - такой же, как в случае антиэлайзинг фильтра при аналого-цифровом преобразовании. Порядок такого ФНЧ должен быть не ниже 12-го. Однако построение фильтров высокого порядка связано с известными трудностями. Здесь требуется применение прецизионных пассивных элементов и высококачественных ОУ с хорошей температурной и временной стабильностью. Причем, поскольку все это предназначено для использования в бытовом аппарате небольших размеров, все компоненты должны быть к тому же малогабаритными.

Кроме того, всякий фильтр высокого порядка обладает существенно нелинейной фазовой характеристикой. А это приводит к заметным на слух искажениям звуков с крутыми перепадами уровня - барабанов, тарелок, рояля и др.

Чтобы облегчить требования к фильтрации преобразованного сигнала, перед ЦАП можно разместить цифровой фильтр. Выполнить такой фильтр с нужными характеристиками значительно проще, чем аналоговый. Он может иметь достаточно высокий порядок и при этом обладать линейной фазовой характеристикой.

Характеристика цифрового фильтра, как и спектр цифрового сигнала, тоже имеет периодическую структуру и тоже повторяется на частотах, кратных частоте дискретизации. Поэтому, если цифровой фильтр будет работать на частоте дискретизации F_д, то подавить высокочастотные компоненты все равно не удастся.

Проблема может быть решена путем искусственного увеличения частоты дискретизации F_д в несколько раз. При этом недостающие значения сигнала вычисляются по известным значениям методами интерполяции (рис. 7). Схема блока ЦАП в этом случае имеет вид, показанный на рис. 8.

Рис. 6 - Повышение частоты дискретизации с помощью интерполяции

Рис. 7 - Блок цифро-аналогового преобразования

Рис. 9 - АЧХ цифрового и аналогового фильтров после двукратного (а), четырехкратного (б) и восьмикратного повышения частоты дискретизации

Передискретизация позволяет значительно снизить требования к характеристике аналогового ФНЧ. Даже удвоение F_д дает возможность сделать срез его АЧХ довольно пологим (рис. 9.а). А при увеличении частоты дискретизации в четыре, восемь и более раз, требования к аналоговому ФНЧ снижаются до вполне заурядных (рис. 9.б,в). За счет этого отношение сигнал/шум, а, следовательно, и динамический диапазон, можно сделать даже бОльшим, чем определяемая 16-разрядным квантованием величина в 98 дБ.

Оцифровка аналогового сигнала означает, что колебания воздуха превращаются в ряд нулей и единиц. На первом этапе колебания воздуха ваш голос фиксируется мембраной микрофона. На втором этапе задействован обычно блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) звуковой карты компьютера.

Процесс оцифровки имеет следующие стадии.

1. Выборка.

2. Квантование сигнала.

3. Кодирование.

Самый известный стандарт кодирования звука называется PCM (Pulse Code Modulation – импульсно-кодовая модуляция), известный также как стандарт G.711. Он предполагает выборку 8000 образцов речи в секунду. Каждый из образцов имеет размер 8 бит, так что результатом работы PCM является цифровой поток 64 000 бит/с (рис. 1.1).

Одновременно с оцифровкой звука кодек PCM обеспечивает и эффективное сжатие цифрового сигнала. Основной принцип сжатия звука основан на том, что человеческое ухо не воспринимает большую часть звукового спектра. Кроме того, голос человека занимает лишь узкую полосу в диапазоне всех слышимых звуков.

Диапазон слышимых частот составляет примерно 200-20 000 Гц. Частоты человеческого голоса лежат в пределах 200-10 000 Гц, а типичные частоты телефонного сигнала – в диапазоне 300-3000 Гц.

Только за счет эффективной выборки частот уже можно сжать сигнал в несколько раз. Применяются и другие, более сложные методы компрессии. Как уже было сказано, кодек PCM обеспечивает цифровой поток 64 000 бит/с. Существуют и другие стандарты оцифровки звукового сигнала. Вот некоторые из кодеков, которые входят в базовый набор Н.323 (рис. 1.2):

• G.711 (PCM) – 64 Кбит/с;

• G.721 (ADPCM) – 32 Кбит/с;

• G.723 (ADPCM) – 24 Кбит/с;

• G.726 (ADPCM) – 16 Кбит/с;

• G.728 (LD-CELP) – 16 Кбит/с;

• G.729 (CS-ACELP) – 8 Кбит/с.

Дата добавления: 2015-05-10