Сколько уровней квантования имеет 16 разрядный код

Цифровая звукозапись.

При цифровой звукозаписи аналоговый звуковой сигнал преобразуется в код из последовательностей импульсов, которые соответствуют двоичным числам (0 и 1) и характеризуют амплитуду волны в каждый момент времени. Цифровые аудиосистемы обладают огромными преимуществами перед аналоговыми системами в отношении динамического диапазона, робастности (информационной надежности) и сохранения качества при записи и копировании, передаче на расстояние и мультиплексировании и т.п.

Аналого-цифровое преобразование.

Процесс преобразования из аналоговой формы в цифровую состоит из нескольких шагов.

Дискретизация.

Периодически с фиксированной частотой повторения делаются дискретные отсчеты мгновенных значений волнового процесса. Чем выше частота отсчетов, тем лучше. По теореме Найквиста, частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать наивысшую частоту в спектре обрабатываемого сигнала. Чтобы не допустить искажений, связанных с дискретизацией, на входе преобразователя необходимо установить фильтр нижних частот с очень крутой характеристикой и частотой отсечки, равной половине частоты дискретизации. К сожалению, идеальных фильтров нижних частот не существует, и фильтр с очень крутой характеристикой будет вносить искажения, которые могут свести на нет преимущества цифровой техники. Дискретизацию обычно проводят с частотой 44,1 кГц, которая позволяет применять практически приемлемый фильтр для защиты от искажений. Частота 44,1 кГц была выбрана потому, что она совместима с частотой строчной развертки телевидения, а все ранние цифровые записи производились на видеомагнитофонах.

Эта же частота 44,1 кГц является стандартной частотой дискретизации для проигрывателей компакт-дисков и большей части бытовой аппаратуры, за исключением устройств записи на цифровую аудиоленту (DAT), в которых используется частота 48 кГц. Такая частота выбрана специально для того, чтобы воспрепятствовать нелегальному переписыванию компакт-дисков на цифровую магнитную ленту. В профессиональном оборудовании используется главным образом частота 48 кГц. В цифровых системах, применяемых для целей вещания, обычно работают с частотой 32 кГц; при таком выборе полезный диапазон частот ограничивается величиной 15 кГц (из-за предела дискретизации), но частота 15 кГц считается достаточной для целей вещания.

Квантование.

С ледующий шаг состоит в том, чтобы преобразовать дискретные отсчеты в код. Это преобразование выполняется путем измерения амплитуды каждого отсчета и сравнения ее со шкалой дискретных уровней, называемых уровнями квантования, величина каждого из которых представлена числом. Амплитуда отсчета и уровень квантования редко в точности совпадают друг с другом. Чем больше уровней квантования, тем выше точность измерений. Различия между амплитудами отсчетов и квантования проявляются в воспроизводимом звуке как шум.

Кодирование.

Уровни квантования считаются в виде единиц и нулей. 16-разрядный двоичный код (такой же, как используемый для компакт-дисков) дает 65536 уровней квантования, что позволяет иметь отношение сигнал/шум квантования выше 90 дБ. Получаемый сигнал отличается высокой робастностью, так как от воспроизводящего оборудования требуется лишь распознать два состояния сигнала, т.е. определять, превышает ли он половину максимально возможного значения. Поэтому цифровые сигналы можно многократно записывать и усиливать, не опасаясь ухудшения их качества.

Чтобы цифровой сигнал преобразовать в звуковой, его нужно сначала преобразовать в аналоговую форму. Такое преобразование обратно аналого-цифровому преобразованию. Цифровой код преобразуется в последовательность уровней (соответствующих исходным уровням дискретизации), которые сохраняются и считываются с использованием исходной частоты дискретизации.

Чаще всего требуемая полоса звуковых частот ограничивается 20. 22 кГц, а частота дискретизации при этом выбирается равной 44,1 или 48 кГц.

Это обусловлено тем, что между наивысшей частотой звукового диапазона f_m, и половиной частоты дискретизации F_д/2 должен быть некоторый интервал, в который нужно поместить срез амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фильтра низких частот (ФНЧ), расположенного на входе блока аналого-цифрового преобразования. Это ФНЧ, который называется антиэлайсинг фильтром, нужен для того, чтобы ни одна составляющая спектра выше F_д/2 не попала на преобразователь. Дело в том, что спектр дискретизованного сигнала обладает периодической структурой. Кроме низкочастотной части, отображающей сам звуковой сигнал, он имеет ещё и высокочастотные компоненты в виде боковых полос с центрами в точках, кратных частоте дискретизации (рис. 3). Если спектр звукового сигнала перед преобразованием не ограничить, то его высокочастотная часть может наложиться на смежную боковую полосу. При этом в преобразованном сигнале возникнут неустранимые искажения субдискретизации в виде паразитных высокочастотных составляющих (рис. 3.а). Звучание фонограммы будет безнадежно испорчено.

Рис. 3 — Спектр дисктретизированного сигнала: а) без ФНЧ; б) с ФНЧ

Поскольку в процессе квантования отсчеты могут принимать только значения кратные шагу квантования Δ, то при оценке истинного значения выборки неизбежно будет возникать некоторая ошибка q (рис. 4). Очевидно, что величина ошибки равна половине шага квантования и не зависит от уровня квантуемого сигнала. Функцию q(t) принято называть шумом квантования. Шум квантования будет тем ниже, чем меньше шаг квантования или, чем больше число разрядов квантования.

Рис. 4 — Шум квантования

Влияние шума сильно зависит от уровня преобразуемого аналогового сигнала. Если его амплитуда мала, то возникают искажения, обусловленные появлением высших гармоник из-за зубчатой формы шума квантования. На слух это воспринимается как искажения, а не как шум.

Ослабить влияние таких искажений можно с помощью добавления другого шума. Если подмешать во входной сигнал так называемый «белый» шум (шум, амплитуда которого практически постоянна в широком диапазоне частот), то корреляция (связь) между шумами квантования и амплитудой сигнала нарушается. При этом воспроизведенный сигнал уже не будет выглядеть искаженным. Добавление такого шумоподобного маскирующего сигнала (дифера) является важной частью процесса преобразования.

Назначение ещё одного элемента тракта аналого-цифрового преобразования — устройства выборки и хранения (УВХ) ясно из его названия (см. рис. 2). Оно предназначено для удержания значения квантируемого сигнала на время преобразования.

Аналого-цифровое преобразование, при котором расстояние между уровнями квантования одинаково во всем диапазоне изменения амплитуды преобразуемого сигнала называется линейным или квантированием с постоянным шагом (рис. 5.а).

Иногда для преобразования используют нелинейное квантование или квантование с переменным шагом (рис. 5.б). В этом случае шаг квантования увеличивается с увеличением уровня преобразуемого сигнала. Для слабых сигналов шаг квантования маленький, для сильных сигналов — большой. При прочих равных условиях такой вид квантования позволяет лучше передавать слабые сигналы, поскольку отношение сигнал/шум в этом случае будет выше, чем в случае линейного квантования. Кроме того, нелинейное квантование позволяет значительно повысить плотность записи (или скорость передачи информации), так как малым числом разрядов можно передавать большой динамический диапазон сигнала.

Рис. 5 — Характеристики квантования: а) линейная; б) нелинейная логарифмическая; в) нелинейная трехсегментная

На рис. 5.б характеристика квантования имеет вид логарифмической кривой, что оптимальным образом отвечает условиям задачи. На практике реализовать такую характеристику затруднительно. Поэтому ее аппроксимируют ломанной линией, состоящей из отрезков, разбивающих весь диапазон преобразования на ряд поддиапазонов, в пределах которых шаг квантования (рис. 5.в). Сегментов может быть от трех до десяти и более. Чем их больше, тем лучше, но при этом реализация системы становится сложнее.

Преобразование линейной характеристики в нелинейную осуществляется после АЦП с помощью специального цифрового кодирующего устройства. Обратное преобразование в воспроизводящем (или приемном) устройстве реализуется декодером с характеристикой, представляющей собой зеркальное отражение характеристики кодера относительно линейной характеристики.

При всех своих достоинствах, нелинейное квантование имеет один очень существенный недостаток. Слабые сигналы (или обертона) на фоне сильного сигнала (на участке характеристики с широким шагом квантования) могут сильно искажаться или даже исчезать совсем. Поэтому качество звука при нелинейном квантовании всегда хуже, чем при линейном.

Квантование

представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования. Другими словами, квантование — это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов — шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 3 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения.

Рис.3 Аналого-цифровое преобразование. Квантование.

Искажения сигнала, возникающие в процессе квантования, называют шумом квантования. При инструментальной оценке шума вычисляют разность между исходным сигналом и его квантованной копией, а в качестве объективных показателей шума принимают, например, среднеквадратичное значение этой разности. Временная диаграмма и изображение шума квантования также показаны на рис. 3 (изображение шума квантования показано на сером фоне). В отличие от флуктуационных шумов шум квантования коррелирован с сигналом, поэтому шум квантования не может быть устранен последующей фильтрацией. Шум квантования убывает с увеличением числа уровней квантования.

На рис. 4 показаны изображение, квантованное на 4 уровня, и соответствующий такому числу уровней шум квантования, в котором нетрудно разглядеть сюжет исходного изображения. Изображение, показанное на рис. 5, получено с использованием 128 уровней. При таком уже сравнительно большом числе уровней шум квантования похож на обычный флуктуационный шум. Размах шума упал, поэтому пришлось при получении картинки шума квантования увеличить этот размах в 128 раз, чтобы шум был заметен. Еще несколько лет назад вполне достаточным казалось использовать 256 уровней для квантования телевизионного видеосигнала. Сейчас считается нормой квантовать видеосигнал на 1024 уровня. Число уровней квантования при формировании цифрового звукового сигнала намного больше: от десятков тысяч до миллионов.

Цифровое кодирование.

Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n >= log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.

Рис.6 Аналого-цифровое преобразование.

Кодовые слова можно передавать в параллельной или последовательной формах (рис. 6). Для передачи в параллельной форме надо использовать n линий связи (в примере, показанном на рисунке, n = 4). Символы кодового слова одновременно передаются по линиям в пределах интервала дискретизации. Для передачи в последовательной форме интервал дискретизации надо разделить на n подинтервалов — тактов. В этом случае символы слова передаются последовательно по одной линии, причем на передачу одного символа слова отводится один такт. Каждый символ слова передается с помощью одного или нескольких дискретных сигналов — импульсов. Преобразование аналогового сигнала в последовательность кодовых слов поэтому часто называют импульсно-кодовой модуляцией. Форма представления слов определенными сигналами определяется форматом кода. Можно, например, устанавливать в пределах такта высокий уровень сигнала, если в данном такте передается двоичный символ 1, и низкий — если передается двоичный символ 0 (такой способ представления, показанный на рис. 6, называют форматом БВН — Без Возвращения к Нулю). В примере рис. 6 используются 4-разрядные двоичные слова (это позволяет иметь 16 уровней квантования). В параллельном цифровом потоке по каждой линии в пределах интервала дискретизации передается 1 бит 4-разрядного слова. В последовательном потоке интервал дискретизации делится на 4 такта, в которых передаются (начиная со старшего) биты 4-разрядного слова.

Операции, связанные с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму (дискретизация, квантование и кодирование), выполняются одним устройством — аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Сейчас АЦП может быть просто интегральной микросхемой. Обратная процедура, т.е. восстановление аналогового сигнала из последовательности кодовых слов, производится в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП). Сейчас существуют технические возможности для реализации всех обработок сигналов звука и изображения, включая запись и излучение в эфир, в цифровой форме. Однако в качестве датчиков сигнала (например, микрофон, передающая ТВ трубка или прибор с зарядовой связью) и устройств воспроизведения звука и изображения (например, громкоговоритель, кинескоп) пока используются аналоговые устройства. Поэтому аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи являются неотъемлемой частью цифровых систем.

Цифровые сигналы можно описывать с помощью параметров, типичных для аналоговой техники, например таких, как полоса частот. Но их применимость в цифровой технике является ограниченной. Важным показателем, характеризующим цифровой поток, является скорость передачи данных. Если длина слова равна n, а частота дискретизации FD, то скорость передачи данных, выраженная в числе двоичных символов в единицу времени (бит/с), находится как произведение длины слова на частоту дискретизации: C = nFD .

4 2 Панорамирование

Функция Pan/Expand позволяет определить, как будет слышен звук в звуковом поле между двумя динамиками. Можно сделать так, что звук будет восприниматься исходящим из левой или правой колонки, а также из звукового поля между ними. Этот эффект называется панорамированием. Функция Pan/Expand обладает и некоторыми другими возможностями, о которых мы также коротко расскажем. Чтобы использовать функцию Pan/Expand, сделайте следующее: 1. Выделите в вашем файле данные, которые вы хотите нормализовать. Чтобы обработать весь файл, либо ничего не выделяйте, либо выделите все данные, выбрав команду меню Edit -> Select All. 2. Выберите команду меню Process -> Pan/Expand, чтобы открыть диалоговое окно Pan/Expand (рис. 8.15). 3. Установите в раскрывающемся списке Process mode одноименный параметр. Выберите пункт Pan (preserve stereo separation), чтобы выполнить панорамирование без сведения левого и правого каналов. Это может быть полезно, если у вас есть стереофоническая запись (например, сопровождающей вокальной группы) и вы не собираетесь изменять сам сигнал, но хотите панорамировать группу голосов в определенную область стереопо-ля. Если вы выберете пункт Pan (mix channels before panning), панорамирование будет проведено совместно со сведением левого и правого каналов стереофонической записи. Эта возможность может пригодиться, если необходимо изменить все стереополе, а не отдельный сигнал. Попробуйте воспользоваться обоими пунктами, чтобы уловить разницу на слух. 4. В окне Pan/Expand , помимо параметра Process mode, вы обнаружите график. Его левая шкала отображает позиционирование стереофонического сигнала — он может быть в центре стереополя, а также в левой или правой его части. На графике изображена линия, отображающая характеристики панорамирования, которое вы хотите применить к вашим звуковым данным. Левый край линии представляет начало выделенной области, а правый край — ее конец. Если положение линии таково, что левый ее край находится внизу графика, а правый — вверху, это значит, что по отношению к вашим звуковым данным будет применено линейное панорамирование. Это объясняется тем, что левый край линии находится в правой части стереополя, а правый край — в левой его части. Таким образом, звук сначала будет доноситься из правого динамика, а затем плавно перейдет в левый. Понятно, как работает эта функция?

Рис. 8.15. Вы можете панорамировать данные из стереофонического звукового файла, используя функцию Pan/Expand

При работе со стереофоническим файлом можно включить отображение диаграммы сигналов в качестве фона графика, установив флажок Show wave. Вы также можете указать программе, отображать ли содержимое обоих каналов или только одного из них, выбрав соответствующий пункт из расположенного рядом списка. Это никак не повлияет на сам процесс панорамирования. 5. Вы можете изменить форму линии панорамирования графическим способом, оперируя маленькими квадратиками на ее концах. Эти квадратики называются точками огибающей. 6. Если вы хотите выполнить сложное панорамирование, вы можете добавить еще несколько точек огибающей, щелкнув в любом месте линии. Чем больше точек вы добавите (а их может быть не больше 16), тем точнее вы сможете изменять форму линии (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Вы можете выполнять сложное панорамирование, добавляя к огибающей новые точки

7. Отрегулируйте ползунок параметра Output gain (-60 to 20 dB), чтобы определить громкость файла после обработки. 8. Нажмите на кнопку Preview, чтобы услышать, как звучит файл, до того, как программа Sound Forge произведет в нем фактические изменения. 9. Нажмите на кнопку ОК. Программа Sound Forge выполнит панорамирование ваших звуковых данных в соответствии с характеристиками линии панорамирования, указанными в диалоговом окне Pan/Expand — Funky saxophone riff.

Изменение длительности

Изменением длительности фрагмента или целого файла занимается команда Time Stretch (растяжение времени) в меню Process1. На рисунке 3.35 показано ее диалоговое окно. Движком Final Time или цифрами в окошке вводите длительность, которую должен иметь файл или фрагмент. Если хотите задать длительность в процентах, поменяйте единицы измерения в окошке Input Format — выберите Percentage. Если вам известно, в каком темпе был записан фрагмент, то можете выбрать строку Tempo и ввести новый темп в ударах в минуту.

Эффект работает без заметных искажений в диапазоне от 75 до 115 %. Во всяком случае, всегда можно подобрать такой режим, при котором не появится никаких посторонних призвуков, звук останется ровным и четким. При более сильных изменениях возможно всякое.

Теория цифровой обработки видеоизображения

Если потребовать, чтобы в процессе дискретизации не возникало искажений ТВ сигнала с граничной частотой, например, 6 МГц, то частота дискретизации должна быть не меньше 12 Мгц. Однако, чем ближе частота дискретизации к удвоенной граничной частоте сигнала, тем труднее создать фильтр нижних частот, который используется при восстановлении, а также при предварительной фильтрации исходного аналогового сигнала. Это объясняется тем, что при приближении частоты дискретизации к удвоенной граничной частоте дискретизируемого сигнала предъявляются все более жесткие требования к форме частотных характеристик восстанавливающих фильтров — она все точнее должна соответствовать прямоугольной характеристике. Следует подчеркнуть, что фильтр с прямоугольной характеристикой не может быть реализован физически. Такой фильтр, как показывает теория, должен вносить бесконечно большую задержку в пропускаемый сигнал. Поэтому на практике всегда существует некоторый интервал между удвоенной граничной частотой исходного сигнала и частотой дискретизации.

Квантование представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования. Другими словами, квантование — это округление величины отсчета. Уровни квантования делят весь диапазон возможного изменения значений сигнала на конечное число интервалов — шагов квантования. Расположение уровней квантования обусловлено шкалой квантования. Используются как равномерные, так и неравномерные шкалы. На рис. 3 показаны исходный аналоговый сигнал и его квантованная версия, полученная с использованием равномерной шкалы квантования, а также соответствующие сигналам изображения.

Рис.3 Аналого-цифровое преобразование. Квантование.

Рис.4, 5. Квантование.

Цифровое кодирование.Квантованный сигнал, в отличие от исходного аналогового, может принимать только конечное число значений. Это позволяет представить его в пределах каждого интервала дискретизации числом, равным порядковому номеру уровня квантования. В свою очередь это число можно выразить комбинацией некоторых знаков или символов. Совокупность знаков (символов) и система правил, при помощи которых данные представляются в виде набора символов, называют кодом. Конечная последовательность кодовых символов называется кодовым словом. Квантованный сигнал можно преобразовать в последовательность кодовых слов. Эта операция и называется кодированием. Каждое кодовое слово передается в пределах одного интервала дискретизации. Для кодирования сигналов звука и изображения широко применяют двоичный код. Если квантованный сигнал может принимать N значений, то число двоичных символов в каждом кодовом слове n >= log2N. Один разряд, или символ слова, представленного в двоичном коде, называют битом. Обычно число уровней квантования равно целой степени числа 2, т.е. N = 2n.

Рис.6 Аналого-цифровое преобразование.

7. Цифровое представление компонентного видеосигнала.

Компонентный телевизионный видеосигнал может быть представлен в цифровой форме в соответствии с Рекомендацией ITU-R 601. Эта рекомендация устанавливает правила раздельной дискретизации, квантования и кодирования сигнала яркости Y и двух цветоразностных сигналов R-Y (Cr) и B-Y (Cb). Частота дискретизации для яркостного сигнала Y установлена равной 13,5 МГц, для цветоразностных сигналов — 6,75 МГц, т.е. частота дискретизации яркостного сигнала в 2 раза больше частоты дискретизации цветоразностных сигналов. Если взять, как принято, в качестве условной (базовой для иерархии цифровых стандартов) единицы частоту 3,375 МГц, то частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2, которое и дает часто используемое название стандарта.

Рис.7 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:2).

При таких значениях частот дискретизации можно практически преобразовать без искажений в цифровую форму сигнал яркости в полосе до 5,75 МГц, а цветоразностные сигналы — в полосе до 2,75 МГц (надо помнить о запасном интервале между граничной частотой сигнала и половиной частоты дискретизации). Стандарт 4:2:2 используется в качестве базового при оценке других вариантов дискретизации, и на значение 5,75 МГц часто ссылаются как на границу полной полосы ТВ сигнала. Рис. 7 показывает дискретизацию компонентного телевизионного сигнала на примере сигнала цветных полос. Длина кодового слова — 10 двоичных разрядов — битов (в первоначальном варианте — 8 битов), что позволяет перенумеровать 1024 уровня квантования. Однако числа 0..3 и 1020..1023 резервируются для цифровых синхронизирующих сигналов. Для квантования яркостного сигнала выделяется 877 уровней (значение черного в видеосигнале соответствует уровню квантования 64, а номинальное значение белого — уровню 940). Для квантования цветоразностных сигналов выделяется 897 уровней, причем нулевому значению аналогового сигнала соответствует уровень квантования 512.Кодированию подлежат гамма-корректированные сигналы. Приведенные диапазоны уровней квантования часто используются при сравнении с другими вариантами квантования. В этом случае на них часто ссылаются как на показатели динамического диапазона или полного разрешения по уровню сигнала, поскольку число уровней квантования определяет шум квантования и, соответственно, динамический диапазон. В этом же смысле иногда говорят о 10-битном разрешении.

Рис.8 Кодирование компонентного видеосигнала (4:2:2). Структура дискретизации.

Частоты дискретизации представляют гармоники строчной частоты, что обеспечивает неподвижную ортогональную структуру отсчетов ТВ изображения (рис. 8). Величинам 13,5 и 6,75 МГц кратна, как частота строчной развертки стандарта телевизионного разложения 625/50, так и частота развертки стандарта 525/60. Собственно, выбор в качестве базовой именно частоты 3,375 МГц во многом связан с соображениями кратности с частотами строчной развертки двух мировых стандартов разложения. Это важно потому, что позволило ввести единый мировой стандарт цифрового кодирования компонентного видеосигнала, при котором в активной части строки содержится 720 отсчетов яркостного сигнала и по 360 — каждого цветоразностного. Различие в системах 625/50 и 525/60 заключается в разном числе строк и несколько отличающейся длительности интервала гашения. Полная скорость передачи цифрового компонентного видеосигнала составляет 10 х 13,5 + 10 х 6,75 + 10 х 6,75 = 270 Мбит/с.

Рис.9 Кодирование компонентного видеосигнала (4:4:4).