Незважаючи на те, що більшу частину зовнішньої інформації ми засвоюємо за допомогою зору, звукові образи для нас не менш важливі, а часто навіть більше. Спробуйте подивитися кіно з вимкненим звуком – через 2-3 хвилини ви втратите нитку сюжету та інтерес до того, що відбувається, яким би великим не був екран та якісним зображення! Тож у німому кіно за кадром грав тапер. Якщо ж прибрати зображення і залишити звук, кіно можна «слухати» як захоплюючу радіопостановку.
Слух доносить до нас інформацію про те, чого ми не бачимо, оскільки сектор візуального сприйняття обмежений, а вухо вловлює звуки, що доносяться з усіх боків, доповнюючи візуальні образи
Слух доносить до нас інформацію про те, чого ми не бачимо, оскільки сектор візуального сприйняття обмежений, а вухо вловлює звуки, що доносяться з усіх боків, доповнюючи візуальні образи. При цьому наш слух з великою точністю може локалізувати невидиме джерело звуку за напрямом, відстанню, швидкістю переміщення.
Звук навчилися перетворити на електричні коливання задовго до зображення. Цьому передував механічний запис звукових коливань, історія якого розпочалася ще в 19 столітті.
Прискорений прогрес, включаючи можливість передачі звуку на відстань, став можливим завдяки електриці, з появою підсилювальної техніки, акустоелектричних та електроакустичних та перетворювачів – мікрофонів, звукознімачів, динамічних головок та інших випромінювачів. Сьогодні звукові сигнали передаються не тільки по проводах і через ефір, а й по оптоволоконних лініях зв'язку, в основному в цифровому вигляді.
Акустичні коливання перетворюються на електричний сигнал зазвичай за допомогою мікрофонів. Будь-який мікрофон має у своєму складі рухомий елемент, коливання якого породжують струм чи напругу певної форми. Найбільш поширений тип мікрофона – динамічний, що є «динаміком навпаки». Коливання повітря надають руху мембрану, жорстко пов'язану зі звуковою котушкою, що знаходиться в магнітному полі. Конденсаторний мікрофон, насправді, і є конденсатор, одна з обкладок якого коливається в такт зі звуком, а разом з нею змінюється ємність між обкладками. У стрічкових мікрофонах використовується той самий принцип, тільки одна із пластин вільно підвішена. Схожий на конденсаторний електретний мікрофон, пластини якого в процесі коливань самі виробляють електричний заряд, пропорційний амплітуді коливань. Багато моделей мікрофонів мають убудований підсилювач (рівень сигналу безпосередньо з акусто-електричного перетворювача дуже малий). На відміну від мікрофона, звукознімач електромузичного інструменту реєструє коливання не повітря, а твердого тіла: струни чи деки інструменту. Головка звукознімача зчитує канавку грамплатівки за допомогою голки, механічно з'єднаної з рухомими котушками, що знаходяться в магнітному полі, або магнітами, якщо котушки нерухомі. Або коливання голки передаються на п'єзоелемент, який при механічних впливах виробляє електричний заряд. У магнітному записі звуковий сигнал записується на магнітну стрічку, а потім зчитується спеціальною головкою. Нарешті, у кінематографі традиційно було прийнято оптичний запис: з краю плівки наносилася непрозора звукова доріжка, ширина якої змінювалася в такт із сигналом, і при протягуванні плівки через проекційний апарат електричний сигнал знімався фотосенсором.
У синтезаторах звук народжується безпосередньо як електричних коливань, тут відсутня первинне перетворення акустичних хвиль в електричний сигнал.
Сучасні джерела звуку осінь різноманітні, і все більшого поширення набувають цифрові носії: компакт-диски, DVD, хоча зберігаються ще й вінілові платівки. Ми продовжуємо слухати радіо, як ефірне, так і кабельне (радіо-крапки). Звук супроводжує телепередачі та кінофільми, не кажучи вже про таке звичне явище, як телефонія. Все більша питома вага в світі аудіо отримує комп'ютер, що дозволяє зручно архівувати, комбінувати і обробляти звукові програми у вигляді файлів. У вік цифрових технологій оцифрована мова і музика передається цифровими каналами, включаючи мережу Інтернет, без серйозних втрат на транспортування. Це забезпечується цифровим кодуванням і втрати виникають виключно через стиснення, яке найчастіше при цьому використовується. Однак на цифрових носіях його або немає (CD, SACD), або застосовуються алгоритми стиснення звуку без втрат (DVD Audio, DVD Video). В інших випадках ступінь стиснення визначається необхідним рівнем якості фонограми (MP3-файли, цифрова телефонія, цифрове телебачення, деякі типи носіїв).
Рис. 1. Перетворення акустичних звукових коливань на електричний сигнал
Зворотне перетворення з електричних коливань на акустичні здійснюються за допомогою гучномовців, вбудованих у радіоприймачі та телевізори, а також окремих акустичних систем, головних телефонів.
Звуком називають акустичні коливання у діапазоні частот від 16 Гц до 20 000 Гц
Звуком називають акустичні коливання діапазоні частот від 16 Гц до 20 000 Гц. Нижче (інфразвук) і вище (ультразвук) людське вухо не чує, та й у межах звукового діапазону чутливість слуху дуже нерівномірна, її максимум посідає частоту 4 кГц. Щоб чути звуки всіх частот однаково голосно, потрібно відтворювати їх із різним рівнем. Такий прийом, який називається тонкомпенсацією, часто реалізується в побутовій апаратурі, хоча результат його не можна визнати однозначно позитивним.
Рис. 2. Криві рівної гучності
(Натисніть на зображення для збільшення)
Фізичні властивості звуку зазвичай видаються не в лінійних, а в відносних логарифмічних величинах - децибелах (дБ), оскільки це набагато наочніше в цифрах і компактніше на графіках (інакше довелося б оперувати з величинами, що мають безліч нулів до коми і після, і другі з легкістю загубилися на тлі перших). Відношення двох рівнів A і B в дБ (скажімо, напруги або струму) визначається як:
З u [дБ] = 20 lg A/B. Якщо ж йдеться про потужності, то p[дБ] = 10 lg A/B.
Крім частотного діапазону, що визначає чутливість людського слуху до висоті звуку, існує також поняття діапазону гучностей, який показує чутливість вуха до рівня гучності і охоплює інтервал від самого тихого звуку, помітного слухом (поріг чутливості), до найгучнішого, за яким лежить больовий поріг. Поріг чутливості прийнятий як звуковий тиск у 2 х 10 -5 Па (Паскаль), а больовий поріг – тиск, у 10 мільйонів разів більший. Іншими словами, діапазон чутності, або відношення тиску найгучнішого звуку, до тихого, становить 140 дБ, що помітно перевершує можливості будь-якої аудіо апаратури через її власні шуми. Тільки цифрові формати високої роздільної здатності (SACD, DVD Audio) підбираються до теоретичної межі динамічного діапазону (відношення найгучнішого звуку, що відтворюється апаратурою, до рівня шуму) 120 дБ, компакт-диск забезпечує 90 дБ, вінілова платівка – близько 60 дБ.
Рис. 3. Діапазон чутливості слуху
Тільки цифрові формати високої роздільної здатності (SACD, DVD Audio) підбираються до теоретичної межі динамічного діапазону
Шуми завжди присутні у звуковому тракті. Це як власні шуми підсилювальних елементів, і зовнішні наведення. Спотворення сигналу діляться на лінійні (амплітудні, фазові) та нелінійні, або гармонійні. У разі лінійних спотворень спектр сигналу не збагачується новими компонентами (гармоніками), змінюються лише рівень чи фаза існуючих. Амплітудні спотворення, що порушують початкові співвідношення рівнів різних частотах, призводять до чутних спотворень тембру. Довгий час вважалося, що фазові спотворення є некритичними для слуху, проте на сьогодні доведено протилежне: і тембр, і локалізація звуку значною мірою залежні від фазових співвідношень частотних компонентів сигналу.
Будь-який підсилювальний тракт нелінійний
Будь-який підсилювальний тракт нелінійний, тому завжди виникають гармонічні спотворення: нові частотні компоненти, що віддаляються за частотою 3, 5, 7 і т.д. від тону, що породжує їх (непарні гармоніки) або в 2, 4, 6 і т.д. разів (парні). Поріг помітності гармонійних спотворень сильно варіює: від кількох десятих і навіть сотих часток відсотка до 3-7%, залежно від складу гармонік. Парні гармоніки менш помітні, оскільки перебувають у консонансі з основним тоном (різниця за частотою вдвічі відповідає октаві).
Крім гармонійних, мають місце інтермодуляційні спотворення, що є різницевими продуктами частот спектра сигналу та їх гармонік. Наприклад, на виході підсилювача, на вхід якого подано дві частоти 8 і 9 Гц (при досить нелінійній його характеристиці), з'явиться третя (1 кГц), а також цілий ряд інших: 2 кГц (як різниця других гармонік основних частот) і т.д. . Інтермодуляційні спотворення особливо неприємні на слух, оскільки породжують безліч нових звуків, включаючи дисонансні по відношенню до основних.
Те, що зможе почути аудіофіл і не лише почути, а й пояснити звукорежисер, може виявитися абсолютно непомітним для звичайного слухача
Шуми та спотворення значною мірою маскуються сигналом, однак вони й самі маскують сигнали малого рівня, які зникають або втрачають чіткість. Тому що вище відношення сигнал/шум, то краще. Фактична чутливість до шумів та спотворень залежить від індивідуальних особливостей слуху та його натренованості. Рівень шумів та спотворень, що не впливає на передачу мови, може бути абсолютно неприйнятним для музики. Те, що зможе почути аудіофіл і не лише почути, а й пояснити звукорежисер, може виявитися абсолютно непомітним для звичайного слухача.
Традиційно аудіо сигнали передавалися проводами, а також ефіру (радіо).
Розрізняють небалансну лінію передачі (класична провідна) та балансну. Небалансна має у своєму складі два дроти: сигнальний (прямий) та зворотний (земля). Така лінія дуже чутлива до зовнішніх перешкод, тому передачі сигналу великі відстані не підходить. Часто реалізується за допомогою екранованого дроту, екран при цьому з'єднується із землею.
Рис. 4. Небалансна екранована лінія
Балансна лінія передбачає три дроти: два сигнальні, якими тече один і той же сигнал, але в протифазі, і землю. На приймальній стороні синфазні перешкоди (наведені на обидва сигнальні дроти) взаємно віднімаються і повністю зникають, а рівень корисного сигналу подвоюється.
Рис. 5. Балансна екранована лінія
Небалансні лінії зазвичай застосовуються всередині приладів і при невеликих відстанях, в основному в трактах користувача. У професійній сфері панує балансова.
На малюнках точки підключення екрану показано умовно, оскільки їх доводиться щоразу підбирати «за місцем» для досягнення найкращих результатів. Найчастіше екран підключається лише за приймача сигналу.
Небалансні лінії зазвичай застосовуються всередині приладів і при невеликих відстанях, в основному в трактах користувача. У професійній сфері панує балансова
Аудіосигнали нормуються за рівнем напруги (0,707 від амплітудного значення):
На виході підсилювача потужності, з якого сигнал надходить на гучномовці, його рівень набагато вищий і може досягати (залежно від гучності) 20-50 В при струмах до 10-20 А. Іноді – до сотень вольт, для трансляційних ліній та озвучування відкритих просторів .
Використовувані кабелі та роз'єми:
Рис. 6. Рознімання для балансних ліній: клеми та XLR
Рис. 7. Рознімання для небалансних ліній: RCA, 3,5-мм та 6,25-мм штекери
Рис. 8. Рознімання акустичних кабелів
Якість роз'ємів і кабелів відіграє відчутну роль, особливо у високоякісних аудіо системах
Якість роз'ємів та кабелів відіграє відчутну роль, особливо у високоякісних аудіо системах. Мають значення матеріали провідника та діелектрика, переріз, геометрія кабелю. У найдорожчих моделях міжблочних та акустичних кабелів застосовується надчиста мідь і навіть цільне срібло, а також тефлонова ізоляція, що відрізняється мінімальним рівнем діелектричної абсорбції, що збільшує втрати сигналу, причому нерівномірно по смузі частот. Ринок кабельної продукції дуже різноманітний, часто різні моделіоднакової якості відрізняються один від одного лише ціною, причому у багато разів.
Будь-які кабелі характеризуються втратами аналогового сигналу, які ростуть із зростанням частоти та відстані передачі. Втрати визначаються омічним опором провідника та контактів у роз'ємах, а також розподіленими реактивними складовими: індуктивністю та ємністю. По суті, кабель є фільтром низьких частот (ріже високі).
Крім передачі різні відстані, сигнали часто доводиться розгалужувати і комутувати. Комутатори (селектори входів) є невід'ємною частиною багатьох компонентів аудіотракту, як професійного, так і користувача. Існують і спеціалізовані підсилювачі-розподільники, що розгалужують сигнал і забезпечують узгодження з лінією передачі та іншими компонентами за рівнем та імпедансами (а також часто компенсують спад на високих частотах) та комутатори, звичайні (кілька входів та один вихід) та матричні (множина входів та виходів) ).
Будь-яка обробка аналогового аудіосигналу супроводжується певними втратами його якості (виникають частотні, фазові, нелінійні спотворення), проте вона необхідна. Основні види обробки такі:
Рис. 9
Рис. 10. Схема кросовера для трисмугової акустичної системи
Рис. 11. Приклад приладу-еквалайзера
Рис. 12. Приклад студійного процесора динамічної обробки звуку
Рис. 13. Приклади процесорів та приставок для електрогітар
Рис. 14. Сучасний мікшерний пульт
Вважається, що механічний запис звуку був вперше реалізований Едісоном у 1877 році, коли він винайшов фонограф – валик, покритий шаром м'якої станіолі, на який голкою, що передає коливання повітря, наносився слід (згодом замість станіолі використовувався віск, а сам метод стали називати глибинним записом , оскільки доріжка модулювалася по глибині). Однак того ж року француз Шарль Кро подав заявку до Академії наук з приводу свого винаходу – звук записувався на плоскому скляному диску, вкритому сажею, за допомогою з'єднаної з мембраною голки, виходила поперечна доріжка, потім диск передбачалося просвічувати та знімати з нього фотокопії для тиражування (Сам спосіб ще потрібно розробити). Зрештою поперечний запис, який виявився набагато досконалішим за глибинний, дав початок грамзапису. У світі з'явилися три компанії, що серійно випускали платівки (CBS в Америці, JVC в Японії, Odeon у Німеччині – ця компанія подарувала світові двосторонню платівку) та апарати для їх відтворення. Від Дойче Грамофон (Німеччина) походить назва «грамофон», від Пате (Франція) – патефон. Потім почали виготовляти портативні патефони з розтрубом на шарнірі, з електричним двигуном замість ручного приводу, пізніше – з електромагнітними адаптерами. Платівки ставали дедалі досконалішими, вміщали більше матеріалу за часом звучання, розширювався діапазон частот, спочатку обмежений 4 кГц. На зміну тендітному шелаку прийшов вініліт, а недовговічні сталеві голки поступилися місцем сапфіровим, потім і алмазним. Почалася епоха стерео: у одній канавці нарізалися дві доріжки під кутом 45°. На початку 80-х минулого століття, коли намітилася глобальний перехід до цифрового формату звуку, вінілова платівка підійшла в апогеї свого розвитку.
Рис. 15. Грамофон, патефон, електропрогравач
Магнітний запис більш досконалий і здавна застосовувався у студіях. Перший апарат для магнітного запису - телеграфон - створив Вальдемар Паульсен (Данія) в 1878 році, причому запис велася на сталевий дріт (струну від фортепіано). У 20-х роках 20 століття з'явилися магнітофони, які використовували магнітну стрічку. Масове виробництво магнітофонів почалося у 40-х. Спочатку з'явилися магнітні стрічки на целюлозній, а потім на лавсановій основі. Запис аудіосигналів проводиться на поздовжні доріжки за допомогою пишучої (або універсальної) головки з магнітним зазором. Стрічка простягається впритул до зазору головки, і на ній утворюється доріжка залишкового намагнічування. Нелінійна частина характеристики розмивається за допомогою високочастотного струму підмагнічування (зазвичай близько 100 кГц), на який накладається корисний сигнал. Студійні аналогові магнітофони поряд із цифровими досі застосовуються для первинного запису фонограм. Побутові бувають дво-і триголовковими (окремо записує, що відтворює і стирає головки або стирає і універсальна). Іноді присутні дві головки, що відтворюють, якщо передбачений реверс.
Навіть при дуже дбайливому відношенні магнітна стрічка з часом починає обсипатися.
Магнітна стрічка має шуми, які зменшуються (частково виводяться за межі чутного діапазону) зі зростанням швидкості протяжки. Тому студійні магнітофони мають швидкість 38, тоді як побутові котушкові – 19 та 9,5 см/с. Для побутових касетних магнітофонів було прийнято швидкість 4,76 см/с. Шуми стрічки ефективно пригнічуються за допомогою компандерної системи Dolby B: під час запису рівень високочастотної частини для слабких сигналів піднімається на 10 дБ, а при відтворенні на стільки ж опускається.
Професійний аналоговий магнітний запис на високої швидкостізабезпечує дуже високу якість. Саме на магнітних майстер-стрічках довгий час архівувалися музичні записи, і з них фонограма переносилася на вінілові платівки з певною втратою якості. Однак навіть при дуже дбайливому відношенні магнітна стрічка з часом починає обсипатися, їй властиво поступове розмагнічування, деформація, копір-ефект (сусідні шари в рулоні взаємно намагнічуються), вона впливає на зовнішні магнітні поля. Утруднений також швидкий пошук потрібного фрагмента (хоча це незручність ставиться швидше до побутової сфери). Тому з появою цифрових форматів компанія Sony, власник величезного архіву записів CBS/Columbia, перейнявшись проблемою збереження безцінних оригіналів записів другої половини 20 століття, розробила метод запису у форматі дискретної широтно-імпульсної модуляції(Потік DSD - Direct Stream Digital, який надалі дав початок формату користувача Super Audio CD). Якщо аналоговий магнітний запис забезпечує збереження фонограми кілька десятиліть при поступово збільшуються втратах, то цифрові архіви вічні і витримують необмежену кількість копіювань без деградації. З цієї, як і з багатьох інших причин (сервісні переваги, універсальність, величезні можливості обробки) все більшого поширення нині набувають цифрові формати аудіо.
За теоремою Котельникова-Шенона дискретний сигнал може бути повністю відновлений за умови, що частота дискретизації як мінімум удвічі перевищує верхню частоту спектра сигналу
Цифровий сигнал отримують з аналогового або синтезують у цифрі (в електромузичних інструментах). Аналого-цифрове перетворення передбачає дві основні операції: дискретизацію та квантування. Дискретизація – заміна безперервного сигналу ряд відліків його миттєвих значень, взятих через рівні проміжки часу. По теоремі Котельникова-Шенона дискретний сигнал може бути повністю відновлений за умови, що частота дискретизації як мінімум удвічі перевищує верхню частоту спектра сигналу. Потім відліки квантуються за рівнем: кожному з них надається дискретне значення, найближче до реального. Точність квантування визначається розрядністю двійкового уявлення. Чим вища розрядність, тим більше рівнів квантування (2N, де N – число розрядів) і нижче шуми квантування – похибки через округлення до найближчого дискретного рівня.
Рис. 16. Оцифрування аналогового сигналу та отримання цифрових відліків
Формат CD передбачає частоту дискретизації 44,1 кГц та розрядність 16 біт. Тобто виходить 44 тисячі відліків за секунду, кожен із яких може приймати один із 2 16 = 65536 рівнів (для кожного зі стереоканалів).
Найбільш досконалими форматами аудіо є DVD Audio і Super Audio CD (SACD)
Крім формату 44,1 кГц/16 біт у цифровому записі застосовуються й інші. Студійний запис зазвичай провадиться з розрядністю 20-24 біт. Далі дані переводяться в стандартний CD-формат шляхом перерахунку. Зайві біти потім відкидаються або (краще) округляються, іноді підмішується псевдовипадковий шум зменшення шумів квантування (dither).
Найбільш досконалими форматами аудіо є DVD Audio і Super Audio CD (SACD). У DVD Audio прийнято алгоритм стиснення даних без втрат MLP, розроблений компанією Meridian. А SACD, на відміну інших форматів, використовує не імпульсно-кодову модуляцію (ІКМ, чи PCM), а однобітове кодування DSD-потока (дискретна широтно-импульсная модуляція). Диски SACD бувають одношаровими та двошаровими (гібридними), із звичайним CD-шаром.
Найбільш популярним аудіо носієм на сьогодні залишається компакт-диск, незважаючи на певні обмеження щодо якості звучання, що відзначаються аудіофілами. Причина їх – у низькій частоті дискретизації: для точного відновлення сигналів, близьких до верхньої межі звукового діапазону, необхідний фільтр, не реалізований фізично (його імпульсна реакція захоплює область негативного часу). Це певною мірою компенсується за допомогою цифрової фільтрації з підвищенням частоти дискретизації та розрядності. Для забезпечення безперебійного відтворення реального часу дані на диску записуються з надмірним кодуванням (код Ріда-Соломона).
Цифрові носії, чатоти дискретизації та розрядності кодування
| Носій | Авторство | Розміри |
Час звучання, хв. |
Кільк. каналів | Fs, кГц | Розрядн., біт |
| CD-DA | Sony, Philips |
120, 90 мм | до 90 | 2 | 44,1 | 16 |
| S-DAT | касета, стрічка 3,81 мм | 2 | 32, 44,1, 48 | 16 | ||
| R-DAT | касета, стрічка 3,81 мм | 2, 4 | 44,1 | 12, 16 | ||
| DASH | стрічка 6,3, 12,7 мм | 2…48 |
44,056, 44,1, 48 |
12, 16 | ||
| DAT | Alesis | касета S-VHS |
60 | 8 | 44,1, 48 | 16, 20 |
| DСС | Philips | касета | 2, 4 |
32, 44,1, 48 |
16, 18 | |
| MiniDisk | Sony | 64 мм | 74 | 2, 4 | 44,1 | 16 |
| DVD Audio |
120 мм | 5.1 | 192 | 24 | ||
| SACD | Sony, Philips |
120 мм | 2, 5 | 2800 | 1 |
Для передачі цифрового звуку потрібна широкосмугова лінія зв'язку, особливо несжатого багатоканального потоку високої роздільної здатності.
Лініями зв'язку для передачі цифрового аудіо можуть служити кабелі, оптичні лінії та радіоефір.
Для передачі ІКМ-сигналів по провідних лініях розроблені інтерфейси AES/EBU (балансний, коаксіальний), S/PDIF (небалансний коаксіальний), що забезпечують передачу кількох сигналів (тактову частоту, частоту проходження цифрових слів, дані каналів) по одному дроту. Усередині апаратів ці сигнали передаються окремо, на виході транспортного механізму кодуються, а на вході цифро-аналогового перетворювача (у двоблочних системах) знову поділяються на цифровому приймачі.
Як правило, для передачі цифрового аудіо використається високоякісний коаксіальний кабель. Існують також перетворювачі S/PDIF для оптоволоконних ліній: AT&T ST та Toslink (останній є стандартним для побутової апаратури). А також – для використання кручених пару складі кабельних мереж Ethernet. Середовищем поширення стисненого аудіо у вигляді архівованих файлів є мережа Інтернет.
Рис. 17. Оптичний кабель із роз'ємом Toslink
Як і будь-який цифровий сигнал, оцифроване аудіо розподіляють і комутують за допомогою спеціальних пристроїв – підсилювачів-розподільників, звичайних та матричних комутаторів.
Є фактор, що негативно впливає на цифрові сигнали і часто зводить нанівець практично всі переваги цифрового аудіо перед аналоговим, серед яких можливість багаторазового копіювання, передачі та архівування програм без втрат якості - йдеться про джиттер. Джиттер є тремтіння фази, або невизначеність моменту переходу з 0 в 1 і навпаки. Відбувається це через поступову деформацію прямокутних імпульсів з практично ідеальними фронтами, які стають все більш пологими через реактивні елементи кабелів, що і призводить до невизначеності моменту перепаду, хоча крутість фронтів у кожному наступному цифровому пристрої повністю відновлюється. Із джиттером усі сучасні цифрові пристрої успішно борються за допомогою блоків перетактування (reclocking). Докладніше див. брошуру «Комутація та керування сигналами».
Рис.18. Розподіл та комутація
Для передачі та запису на різні цифрові носії застосовуються стислі формати аудіо: Dolby Digital (AC-3) та DTS. Це дозволяє розмістити на диску DVD Video ємністю 4,7 Гб повнометражний фільм з багатоканальним звуковим супроводом, а також різноманітні додаткові матеріали. Формат Dolby Digital пропонує 5 незалежних каналів: 2 фронтальні, 2 тилові та 1 сабвуферний для спец-ефектів. Стиснення здійснюється за допомогою адаптивного алгоритму MPEG Audio, заснованого на психоакустичних особливостях сприйняття звуку та забезпечує мінімальну помітність стиснення. Все це дозволяє відтворити повноцінну тривимірну звукову панораму. Однак для якісного відтворення музики Dolby Digital підходить набагато менше, ніж CD, маючи меншу роздільну здатність. Швидкість потоку в режимі Dolby Digital (відліки по кожному каналу передаються один за одним) становить 384-640 кбіт/с, тоді як у звичайному двоканальному форматі CD – 1411,2 кбіт/с. Формат Dolby Digital 5.1 неодноразово вдосконалювався, в основному у напрямі нарощування кількості каналів. Сьогодні доступний варіант DD 7.1, що передбачає 2 фронтальних, 2 бічних і 2 тилових канали, крім каналу спецефектів (відома також модифікація DD 6.1 з одним тиловим каналом).
Формат DTS має менший ступінь стиснення та більшу швидкість потоку даних – 1536 кбіт/с. Тому він використовується не лише для кодування багатоканальних саундтреків на DVD Video, але й для багатоканальних аудіодисків. Формат DTS, окрім традиційного DTS 5.1, відомий у модифікаціях DTS ES Discrete 6.1, а також кількох матричних варіантах, у яких, як і в Dolby Pro Logic II, задіяний принцип матрицювання додаткових каналів, які синтезуються на основі додаткової інформації, що міститься в основних.
У комп'ютерній сфері та мультимедіа (на рівні користувача) потрібна компактність даних, тому тут знаходять широке застосування стислих форматів звуку. Наприклад, MP-3, Windows Media Audio, OGG Vorbis. Завдяки стиску стає можливим швидко завантажувати музичні файли з Інтернету, організовувати потоковий аудіо сервіс (WMA, Real Audio, Winamp).
Обробка проводиться за допомогою потужних DSP (сигнальних) процесорів, наприклад, Shark виробництва Analog Devices. Завдяки високій швидкодії багато операцій вдається реалізувати в реальному часі: наприклад, зміна розрядності та тактової частоти з інтерполяцією, регулювання тембрального балансу, еквалізація, придушення шумів, компресія, експандування або обмеження динамічного діапазону, спецефекти (луна, різні типи звучання, наприклад « стадіон», «концертний зал» та ін.), мікшування кількох доріжок. Зазвичай сигнальні процесори працюють при високій розрядності сигналу (наприклад, 32 біта з плаваючою децимальною точкою), що зменшує набіг помилки у процесі складних математичних обчислень, які виробляються на основі швидкого перетворення Фур'є, обчислення набору відповідних коефіцієнтів та подальшого перемноження.
Сигнальні процесори в міру їх поширення дешевшають, на сьогодні їх можна виявити будь-якому ресівері або Surround-процесорі, де вони виконують найрізноманітніші функції, включаючи декодування форматів об'ємного звуку, еквалізацію та керування басом, калібрування каналів амплітуди та фази і т.д.
Сигнальні процесори в міру їх поширення дешевшають, на сьогодні їх можна виявити будь-якому ресівері або Surround-процесорі
Але, як завжди, програмні технології обробки сигналу розвиваються набагато швидше, ніж апаратні. Все, що може зробити DSP-процесор, доступне за допомогою спеціальних комп'ютерних додатків, причому в даному випадку користувач отримує ширший простір діяльності та гнучкість самої програми, яка періодично оновлюється та доповнюється (хоча і програмне забезпеченняСпеціалізованих пристроїв у наш час найчастіше можна оновлювати, скажімо, через порт USB з комп'ютера або навіть прямо з Інтернету, з сайту виробника обладнання. Але таке оновлення, звичайно, можливе лише в межах одного покоління «заліза», у міру старіння якого доводиться замінювати модуль або весь апарат). Комп'ютерних програм для глибокої обробки цифрового звуку достатньо як для користувальницьких, так і професійних цілей (наприклад, Adobe Audition). Основна частина студійної обробки провадиться на комп'ютері. Це дуже зручно та ефективно, а, головне, дозволяє не прив'язуватися до реального часу, роблячи доступними операції будь-якого ступеня складності без особливих вимог щодо швидкодії. Наприклад, можна вручну вичистити фонограму (скажімо, зняту з реліктового вінілового носія) від клацань або піддати її «інтелектуальній» обробці по рятуванню від шумів, спектральний склад яких заздалегідь визначається в паузах і тихих фрагментах.
Стиснення цифрового аудіо засноване на психоакустичних особливостях слуху та використовує ефект маскування тихіших звуків гучнішими
Нарешті, стиск з метою зменшення швидкості потоку даних чи перенесення іншу тактову частоту з можливим зміною розрядності теж проводиться як апаратно, і програмно, на комп'ютері.
Існує кілька стандартних комп'ютерних форматів аудіо як без стиснення, так і з ним.
Найбільш поширений стислий формат - Microsoft Riff / Wave (розширення ". wav"). Дані кодуються 8 чи 16 бітами. У другому (прийнятному для якісного аудіо) випадку та при частоті дискретизації 44,1 кГц одна хвилини музики займає 5,3 МБ дискового простору. Крім самих даних, файл.wav містить заголовок, що описує загальні параметри файлу, і один або більше фрагментів з додатковою інформацією про режими та порядок відтворення, позначками, назвами та координатами різних ділянок сигналу.
На відміну від Riff/Wave, файли RAW є даними, як вони є – без допоміжної інформації. Яка є у стандартних для платформи Macintosh файлах Apple AIFF, схожих з WAV.
Стиснення цифрового аудіо засноване на психоакустичних особливостях слуху і використовує ефект маскування більш тихих звуків гучнішими, при цьому тихі просто відкидаються, а «поріг актуальності» звуків, що маскуються, визначається їх віддаленістю по частоті від маскуючих, а також іншими параметрами.
З форматів, що передбачають стиск із втратами, найпопулярнішим є MP3 (MPEG 1/2/2.5 Layer 3). Дозволяє застосовувати безліч різних способів стиснення, стандартним є лише спосіб кодування стислих даних. Можливий варіант із постійним бітрейтом, що визначається виходячи з необхідних розмірів файлів або рівня якості, або зі змінним, коли бітрейт змінюється на різних фрагментах музики, підтримуючи рівень якості постійним. Загалом MP3 характеризується дуже задовільний звучанням на середніх і високих бітрейтах, але на низьких поступається іншим форматам. Виняток становить Нова версія MP3 Pro, орієнтована саме на низький бітрейт і у зв'язку з цим дуже потрібна в Інтернеті.
WMA, або Windows Media Audio, успішно конкурують з MP3 на низьких бітрейтах (наприклад, музика при 64 кбіт/с у WMA суб'єктивно звучить не гірше, ніж у MP3 з бітрейтом 128 кбіт/с. Крім цього, цей формат забезпечує захисне кодування від несанкціонованого копіювання.
Ogg Vorbis в цілому схожий на WMA і MP3, але відрізняється математичним апаратом обробки і орієнтований на частоту дискретизації 48 кГц. До того ж, може підтримувати не 2, а до 255 каналів звуку. Бітрейт до 512 кбіт/с, при стисканні, на 20-5-% ефективнішому, ніж у MP3, музика суб'єктивно звучить краще. Серйозний конкурент MP3 та WMA, хоч і в нерівній боротьбі з фірмами-гігантами.
AAC (Advanced Audio Coding) розроблено на основі MP3 (і тією ж компанією – Інститутом Фраунгофера), але відрізняється розширеними можливостями: підтримує частоту дискретизації 96 кГц до 48 каналів. Більш висока якість звуку «оплачується» відносно повільнішою процедурою кодування та підвищеними вимогами до «заліза» щодо швидкодії відтворення. Одна з останніх версій AAC під назвою Liquid Audio, що допускає включення в потік даних не тільки «водяних знаків», як AAC, але й іншої інформації (про виконавців, правоволодіння тощо), в якийсь момент стала серйозним претендентом на спадкоємність MP3.
Багато в чому схожий на AAC японський формат VQF (SoundVQ), який, швидше за все, незабаром зникне з поля зору, хоч і підтримується компанією Yamaha.
Цифровий звук можна записувати різні носії. В основному оптичні диски, хоча за логікою речей рано чи пізно на арені залишиться лише флеш-пам'ять, для якої не потрібно жодних приводів з моторчиками.
Магнітний цифровий запис на сьогодні в основному залишається у професійній сфері і все впевненіше залишає побутовий
Тиражують компакт-диски, як і інші схожі носії (DVD, SACD) шляхом штампування полікарбонатних заготовок з алюмінієвих матриць, на які наносяться піти – поглиблення. Крім цього, за наявності звичайного комп'ютера з приводом, що пишуть CD (DVD), музичні файли різних форматів можна записувати на матриці CD-R, CD-RW і т.д. Файли також зберігають на жорсткому диску комп'ютера або спеціального аудіосервера, в якому може бути створена фонотека, причому ступінь стиснення файлів (від нуля) вибирається користувачем.
Магнітний цифровий запис на сьогодні в основному залишається у професійній сфері і все впевненіше залишає побутовий. Оптичний диск привабливіший для споживача, ніж касета, навіть при тому, що вона має невеликі розміри. Крім цього, їхній масовій затребуваності не сприяли складні стосунки з володарями прав на музичний контент (як, втім, і у випадку з DVD Audio та SACD). DAT-магнітофони записують цифровий звук без стиску з високою якістю 3. Існує кілька типів цифрових магнітофонів: зі стаціонарними головками (S-DAT) і з обертовими (R-DAT), що записують сигнал на касету; бобінний DASH, DAT, що використовує касети S-VHS та поперечно-похилий запис. Формат DCC (запис зі стисненням у PASC) нині визнано неперспективним. Магнітооптичні диски MiniDisc використовують запис із алгоритмом стиснення ATRAC.
Наприкінці будь-якого аудіотракту є аналогові електроакустичні перетворювачі – гучномовці або навушники. Цифрові випромінювачі поки що перебувають у стадії ранніх ідей. Підсилювачі потужності також здебільшого аналогові, хоча поступово пробивають собі дорогу та цифрові (точніше, імпульсні, що працюють за принципом широтно-імпульсної модуляції). Цей клас підсилювачів – D – забезпечує небувало високий порівняно з аналоговими ККД (близько 90%), малі розміри та вагу, відсутність тепловиділення. Щоб за підсилювачами класу D закріпилося міцне положення лідерів, необхідно вирішити багато важливих проблем, і в першу чергу проблему фільтрації високочастотних компонентів модульованого сигналу, рівень яких на виході дуже високий. Крім цього, практично відсутні підсилювачі класу D із цифровим входом: аналоговий сигнал подається на вбудований АЦП. Це, мабуть, і є основним фактором, що гальмує розвиток цього напряму: адже основна цінність самої ідеї не у високому ККД, а в можливості повністю організувати цифровий аудіотракт без зайвих перетворень і аналогових ліній передач. Тим більше цифровий вихід на DVD-програвачах не рідкість. Останнім часом у цій галузі почали з'являтися нові розробки. Компанія Tripath випустила спеціальний процесор, який керує параметрами імпульсного посилення на підставі аналізу вхідного сигналу, який (в цифрової форми) на деякий час затримується у буфері. Зокрема, залежно від поточного спектра сигналу підбирається оптимальна з погляду подальшої фільтрації тактова частота. Такі підсилювачі (їх називають «інтелектуальними») дали початок новій категорії – підсилювачі класу T. Докладніше див. брошуру «Посилення сигналів».
На зміну традиційним стерео- і моно-підсилювачам все частіше приходять багатоканальні, найчастіше будовані в AV-ресивері, де є все необхідне для глибокої обробки багатоканальних сигналів, декодування і перетворення з одного формату в інший. Багатоканальний звук стає все популярнішим, причому не тільки як супровід до кіно, а й сам по собі.
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
Цифрова обробка сигналів
Виконав: Чуніхін В.А.
Група: 5401 С349
Перевірив: Капустін О.С.
ВСТУП. 7
ВИСНОВОК. 34
ДОДАТОК А.. 36
ТЗ – технічне завдання
АМ – амплітудна модуляція
ПФ – смуговий фільтр
ВСТУП
ПЕРЕТВОРЕННЯ МОДУЛОВАНОГО СИГНАЛУ В ДОДАТКОВИЙ ДІАПАЗОН. ПРОЦЕДУРА ОТРИМАННЯ ДИСКРЕТНО-АНАЛІТИЧНОГО СИГНАЛУ (ПЕРЕТВОРЮВАЧ ГІЛЬБЕРТА)
Цифровим перетворювачем Гільберта (ЦПГ) називають лінійну дискретну систему, що формує на виході пару дискретних сигналів, пов'язаних Гільбертом (фази сигналів відрізняються на ) в заданій робочій смузі.
У нашому випадку робоча смуга була обрана НЧ огинаючої модульованого коливання, малюнок 21.
Малюнок 21 – НЧ огинаюча сигналу
Даний графік був отриманий таким чином:
A_m=abs(complex(x));
plot(t,A_m,"r-"); grid on;
ylim([-0.5 9.5]);
title("НЧ огинаюча");
Визначимо смугу частот формула (10).
де – тривалість всього імпульсу.
ЦПГ може бути реалізований на базі КІХ-фільтрів 3-го та 4-го типів, ЛФЧХ яких забезпечує зсув фази на . Перевага надається КІХ-фільтру 3-го типу, так як він дозволяє отримати імпульсну характеристику (ЇХ) , кожен другий звіт який дорівнює нулю, тим самим скорочується число арифметичних операцій при обчисленні реакції ЦПГ, що дуже важливо при його реалізації, наприклад, на цифровому процесор обробки сигналів (ЦПОС).
На базі КІХ-фільтра 3-го типу можна синтезувати тільки смуговий фільтр (ПФ), при цьому специфіка вимог до АЧХ ЦПГ, порівняно з вимогами до АЧХ ПФ, буде наступною.
1) АЧХ ЦПГ має бути симетричною щодо середини основної смуги частот для отримання ЇХ, кожен другий відлік якої дорівнює нулю. Тому вимоги до АЧХ ЦПГ задаються симетрично щодо.
2) Робоча смуга ЦПГ має перевищувати смугу пропускання ПФ.
3) Максимально допустиме відхилення в робочій смузі не повинно бути менше максимального допустимого відхилення в ПП.
4) Максимально допустиме відхилення в ПЗ немає необхідності ставити занадто жорстко, оскільки ефективність ЦПГ оцінюється у робочій області.
За вимогами до АЧХ синтезуватимемо ЦПГ (ПФ) мінімального порядку за допомогою функції firgr на базі КІХ-фільтра 3-го типу (hilbert) з параметром m, рівним 'mineven':
plot_fir(R,b,Fs1);
Наш параметр R, який визначає порядок фільтра в результаті дорівнює 24. Частоти були обрані наступним чином:
Fs1 = 220; - частота дискретизації
fk1 = 10; - гранична частота ПЗ1
ft1=20; - гранична частота ПП1
ft2=92; - гранична частота ПП2
fk2 = 102 - гранична частота ПЗ2
Для виведення графіків було використано таку функцію:
function plot_fir(R,b,Fs1)
% R-порядок КІХ-фільтра
% Fs1-частота дискретизації
fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;
У результаті вийшла наступна ІХ, АЧХ та ФЧХ, рисунок 22.
Рисунок 22 – Характеристики ПГ
Ця процедура була реалізована шляхом домноження модульованого сигналу на , де 38 МГц - частота на яку відбувалося зміщення.
Це було отримано в програмному пакеті MATLAB:
x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);
Отримання спектру:
NFFT=2^nextpow2(length(x1));
y=fft(x1,NFFT)/length(x1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1))));
xlim();
title("АЧХ зрушена");
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1))));
xlim();
title("Сигнал сдвинутый");
Зобразимо виданий спектр, рисунок 23.
Рисунок 23 – Спектр модульованого сигналу після зсуву
Як очевидно з малюнка 23 спектр симетричний щодо 3.8 МГц, це дійсно спектр АМ.
Далі потрібно пустити наш сигнал на ПГ, де на виході ми повинні спостерігати два сигнали, що відрізняються між собою по фазі на чверть періоду, ми отримаємо ортогональне доповнення сигналу, який виглядає аналітично наступним чином, формула (11).
Функція в MATLAB, що реалізує цю операцію, є функція pg.
де x1 – модульований сигнал, зміщений частотою.
Виведемо графіки, що показують 
.
plot(t,real(pg),"k"),grid on
plot(t,imag(pg),"--")
Зобразимо результат малюнку 24.
Рисунок 24 – Результат проходження сигналу через ПГ у збільшеному масштабі
ВИСНОВОК
У ході роботи було вивчено основні принципи роботи цифрової обробки сигналів: оцифрування, отримання дискретного спектра, перенесення спектра в область вищих частот тощо. Були отримані навички роботи програмного пакету MATLAB: створення функцій, управління частотних та часових векторів, видача графіків, опис графіків, модулювання процесів, створення фільтрів. Ці навички необхідні для розробників різних цифрових систем. Суть роботи полягала в оцифровці аналогового сигналу, його пропуск через найпростіший канал зв'язку та отримання його на виході системи.
ДОДАТОК А
Лістинг програми MATLAB
Функція побудови характеристик ПГ:
function plot_fir(R,b,Fs1)
% Побудова графіків характеристик КІХ-фільтра
% R-порядок КІХ-фільтра
% b-вектор коефіцієнтів передавальної функції
% a=-коефіцієнт знаменника передавальної функції
% Fs1-частота дискретизації
subplot(3,1,1),stem(n,b,"fill","MarkerSize",3),xlabel("n"),...
title("Impulse Response"),grid on;
fm=0:((Fs1/2)/200):Fs1/2;
H = freqz (b, a, fm, Fs1); MAG = abs (H); PHASE = angle (H);
subplot(3,1,2),plot(fm,MAG),xlabel("f(Hz)"),title("MAGNITUDE"),grid on;
subplot(3,1,3),plot(fm,PHASE),xlabel("f(Hz)"),title("PHASE"),grid on;
Основний код програми:
%% Параметри імпульсу
dF=80e6; % Частота дискретизації, Гц
dt=1/dF; % Інтервал дискретизації, сек
%% Формування масиву тимчасових відліків
%% Прямокутний імпульс
x1=3*rectpuls(t-ti1/2,ti1);
plot (t, x1, "k"), grid;
title("Прямокутний імпульс");
ylim([-0.5 3.5]);
stem(t,x1,"k."),grid;
title("Прямокутний імпульс (цифра)");
ylim([-0.5 3.5]);
NFFT=2^nextpow2(length(x1));
y1 = fft (x1, NFFT) / length (x1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y1(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
ylabel("y1(f)");
plot(f,angle(y1(1:NFFT/2+1))));
title("ФЧХ");
ylabel("y1(f)");
%% Синусоїдальний імпульс
x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);
plot (t, x2, "k"), grid;
title("Синусоїдальний імпульс");
ylim([-0.5 4.5]);
stem(t,x2,"k."),grid;
title("Синусоїдальний імпульс (цифра)");
ylim([-0.5 4.5]);
NFFT=2^nextpow2(length(x2));
y2=fft(x2,NFFT)/length(x2);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Plot single-sided amplitude spectrum
plot(f,2*abs(y2(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
ylabel("y2(f)");
plot(f,angle(y2(1:NFFT/2+1))));
title("ФЧХ");
ylabel("y2(f)");
%% Трикутний імпульс
plot (t, x3, "k"), grid;
title("Трикутний імпульс");
ylim([-0.5 3.5]);
stem(t,x3,"k."),grid;
title("Трикутний імпульс (цифра)");
ylim([-0.5 3.5]);
NFFT=2^nextpow2(length(x3));
y3=fft(x3,NFFT)/length(x3);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Plot single-sided amplitude spectrum
plot(f,2*abs(y3(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
ylabel("y3(f)");
plot(f,angle(y3(1:NFFT/2+1))));
title("ФЧХ");
ylabel("y3(f)");
%% Трапецеїдальний імпульс
plot (t, x4, "k"), grid;
title("Трапецеїдальний імпульс");
ylim([-9.5 0.5]);
stem(t,x4,"k."),grid;
title("Трапецеїдальний імпульс (цифра)");
ylim([-9.5 0.5]);
NFFT=2^nextpow2(length(x4));
y4=fft(x4,NFFT)/length(x4);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
% Plot single-sided amplitude spectrum
plot(f,2*abs(y4(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
ylabel("y4(f)");
plot(f,angle(y4(1:NFFT/2+1))));
title("ФЧХ");
ylabel("y4(f)");
%% Загальний імпульс
plot (t, x, "k"), grid;
title("Загальний імпульс (відновлений)");
title("Загальний імпульс (цифра)");
NFFT=2^nextpow2(length(x));
y=fft(x,NFFT)/length(x);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1))));
title("АЧХ");
plot(f,angle(y(1:NFFT/2+1)));
title("ФЧХ");
%% Амплітудна Маніпуляція
Fc=dF*5; % Несуща частота
t1=(0:length(x)*FsdF-1)/Fs;
% формування АМн-сигнал
s_ask = x (floor (dF * t1) + 1. * cos (2 * pi * Fc * t1));
plot (t1, s_ask, "k"), grid;
ylim([-9.5 4.5]);
title("Амплітудна Маніпуляція");
NFFT=2^nextpow2(length(s_ask));
y6 = fft (s_ask, NFFT) / length (s_ask);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y6(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
%% АМ (через функцію ammod)
t=-1e-5:dt:28.3e-3; % звіти тимчасової осі
Fc=10000; % Несуща частота
z1=ammod(x,Fc,dF,0,13);
plot(t,z1),grid;
title("Амплітудна модуляція");
NFFT=2^nextpow2(length(z1));
y5 = fft (z1, NFFT) / length (z1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y5(1:NFFT/2+1)));
title("АЧХ");
A_m=abs(complex(x));
plot(t,A_m,"r-"); grid on;
ylim([-0.5 9.5]);
title("НЧ огинаюча");
%% Зміщення за частотою
x1=z1.*cos(2*pi*38000000*t);
NFFT=2^nextpow2(length(x1));
y=fft(x1,NFFT)/length(x1);
f=dF/2*linspace(0,1,NFFT/2+1);
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1))));
xlim();
title("АЧХ зрушена");
plot(f,2*abs(y(1:NFFT/2+1))));
xlim();
title("АЧХ зрушена (збільшений масштаб)");
title("Сигнал сдвинутый");
%% Характеристики ПГ
fk1 = 10; ft1 = 20; ft2 = 92; fk2 = 102; f=;
d2 = 0.1; d1 = 0.05; ripple =;
Firpmord(f,m,ripple,Fs1);
Firgr(("mineven",R),f0,m0,ripple,"hilbert");
plot_fir(R,b,Fs1);
plot(t,real(pg),"k"),grid on
plot(t,imag(pg),"r-.")
legend("Real Part","Imaginary Part")
xlim()
plot(t,yout),grid on;
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до курсової роботи з дисципліни
Цифрова обробка сигналів
Виконав: Чуніхін В.А.
Група: 5401 С349
Перевірив: Капустін О.С.
1. Провести дискретизацію, оцифрування заданого сигналу;
2. Обмежити діапазон дискретного сигналу;
4. Перетворити модульований сигнал на додатковий частотний діапазон;
5. Реалізувати процедуру одержання дискретно-аналітичного сигналу (ПГ);
6. Здійснити демодуляцію отриманого сигналу та порівняти його з початковим сигналом.
Зобразимо форму заданого сигналу за варіантом, рисунок 1.
Малюнок 1 – Форма заданого сигналу
Параметри сигналу поставимо у вигляді таблиць 1 і 2.
Таблиця 1 – Тимчасові параметри сигналу
Пояснювальна записка: 43 сторінки, 28 малюнків, 4 джерела, 2 таблиці.
ДИСКРЕТИЗАЦІЯ, СПЕКТР, МОДУЛЯЦІЯ, ПЕРЕТВОРЮВАЧ ГІЛЬБЕРТА, ДЕМОДУЛЯЦІЯ.
У цій роботі об'єктом дослідження буде заданий сигнал. З ним будуть проведені наступні перетворення: його оцифрування, обмеження спектру, модуляція, перенесення спектра в область ВЧ, отримання дискретно-аналітичного сигналу та демодуляція. Інакше кажучи, буде розглянуто найпростіший канал, з допомогою якого домагаються електричного еквівалента нашої інформації цифровими способами. При модулюванні даного тракту буде використано програмний пакет MATLAB R2014a – це високорівнева мова та інтерактивне середовище для програмування, чисельних розрахунків та візуальних результатів. За допомогою MATLAB можна аналізувати дані, розробляти алгоритми, створювати моделі та програми. Його застосування дуже потрібне при обробці сигналів і зв'язку в усьому світі. Тому вибір програмного середовища упав саме на ньому. Весь написаний код подано у додатку А.
ВСТУП. 7
1.ОЦИФРУВАННЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛУ.. 8
2.ОБМЕЖЕННЯ СПЕКТРА ДИСКРЕТНОГО СИГНАЛУ.. 14
3. ВИБІР МОДУЛЯЦІЇ І РОЗРАХУНОК МОДУЛОВАНОЇ ЧАСТОТИ. 21
4. ПЕРЕТВОРЕННЯ МОДУЛОВАНОГО СИГНАЛУ В ДОДАТКОВИЙ ДІАПАЗОН. ПРОЦЕДУРА ОТРИМАННЯ ДИСКРЕТНО-АНАЛІТИЧНОГО СИГНАЛУ (ПЕРЕТВОРЮВАЧ ГІЛЬБЕРТА) 24
5. ДЕМОДУЛЯЦІЯ ОТРИМАНОГО СИГНАЛУ І ПОРІВНЯННЯ ЙОГО З ПЕРШОПОЧАТКОВИМ СИГНАЛОМ.. 31
ВИСНОВОК. 34
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ.. 35
ДОДАТОК А.. 36
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ СКОРОЧЕНЬ
FFT - fast fourier transform (швидке перетворення Фур'є)
АЧХ-амплітудно-частотна характеристика
ФЧХ - фазо-частотна характеристика
ЇХ – імпульсна характеристика
ТЗ – технічне завдання
АМ – амплітудна модуляція
БАМ – балансна амплітудна модуляція
ЦПГ – цифровий перетворювач Гільберта
КІХ - кінцева імпульсна характеристика
ЦПОС – цифровий процес обробки сигналів
ПФ – смуговий фільтр
ЦФНЧ – цифровий фільтр нижніх частот
ВСТУП
У сучасному світі аналогова схемотехніка вже залишилася на задньому плані, зараз схемотехніка більше схожа на конструктор LEGO, який потрібно правильно зібрати та знати характеристики цього конструктора. Однак перед тим як збирати, потрібно розробити даний пристрій, змоделювати його, розглянути його імпульсну характеристику, прозондувати різними складними сигналами в залежності від вимог замовника і так далі. Ці пристрої складаються із різних цифрових систем. Під цифровою системою розуміється перетворення аналогового сигналу на послідовність чисел з подальшою обробкою цієї послідовності.
Цифрова фільтрація дозволяє реалізовувати складніші алгоритми обробки сигналів, ніж аналогова. Наприклад, обробкою послідовності чисел може займатися спеціалізований процесор або мікроконтролер.
Курсова робота ставить за мету прищепити студентам практичні навички в галузі дискретної та цифрової обробки сигналів.
ОЦИФРУВАННЯ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛУ
Щоб перейти до цифрового вигляду потрібно вибрати частоту дискретизації. По теоремі Котельникова вона так, формула (1).
Однак працюючи з реальними сигналами, даної частоти виявляється недостатньо і формула 1 перетворюється на такий вигляд, формула (2).
де своє чергу приймає будь-які цілі числа.
У нашій роботі немає сенсу для знаходження (верхньої частоти) спектра розглядати весь набір імпульсів, можна розглянути лише той, у якого найширший спектр, тобто найвужчий у часовій області. У даному сигналі це трапецеїдальний імпульс, чия тривалість дорівнює лише . Зобразимо цей імпульс малюнку 2.
Малюнок 2 – Трапецеїдальний імпульс
При побудові даного імпульсу було використано такий математичний опис у програмі Mathcad, формула (3).
Тепер за допомогою перетворення Фур'є (FFT) перейдемо до частотної області, формула (4).
Побудуємо АЧХ, рисунок 3.
 |
Малюнок 3 – АЧХ трапецеїдального імпульсу
Тепер візьмемо верхню частоту за тривалістю імпульсу формула (5).
Щоб довести, що за формулою (1) частоти дискретизації буде недостатньо спробуємо спочатку з нею попрацювати, тобто 
.
Після того як вибрали частоту дискретизації, яку, швидше за все, доведеться збільшити надалі, оскільки при 2кГц будуть помилки при відновленні, можна перейти до MATLAB.
Для того, щоб зобразити наш сигнал на часовій осі з інтервалом дискретизації 
у MATLAB потрібно задати масив тимчасових відліків. Він задається так: t=-1e-5:dt:28.3e-3.
Тепер поставимо наші імпульси по черзі і просто їх підсумуємо в кінці - вийде початковий імпульс.
Прямокутний імпульс:
ti1 = 7e-3; % Тривалість імпульсу
x1=3*rectpuls(t-ti1/2,ti1);
Синусоїдальний імпульс:
x2=4*sin(pi*(t-t11)/12e-3).*(t>=t11).*(t<=t22);
Трикутний імпульс:
x3=3*tripuls((t-t22)-4e-3,8e-3);
Трапецеїдальний імпульс:
x4=-9*trapmf(t,);
Загальний імпульс:
Для виведення графіка використовується функція plot, вона виглядає так: plot(t,x,"k");
Де t – це масив тимчасових відліків, який ми задали на початку, x – сам сигнал, а 'k' означає, що графік буде чорного кольору. Зобразимо виданий графік малюнку 4.
Рисунок 4 – Загальний імпульс (відновлений)
Відновлення відбувається з допомогою теореми Котельникова, формула (6).
Як видно з малюнка 4 з даною дискретизацією, прямокутник більше схожий на трапецію, другий нуль зник, а трапеція нагадує трикутник, відновлення відбулося з великою помилкою. Звідси робимо висновок, що необхідно збільшити частоту дискретизації. Шляхом експериментального підбору нашу частоту дискретизації довелося збільшити в 50 разів, так як при меншій частоті дискретизації інформація про передній фронт трапеції була не ясна, він виглядав як вертикальна лінія. Це пов'язано з тим, що за завданням ми маємо дуже маленький інтервал за часом цього фронту, всього 0,08ms. Зобразимо відновлений сигнал малюнку 5.
Рисунок 5 – Загальний імпульс (відновлений) після збільшення частоти дискретизації
Зобразимо їх у дискретної формі, рисунок 6.
Рисунок 6 – Загальний імпульс у цифровій формі
Як видно з даного малюнка для хорошого відновлення знадобилося багато відліків, для наочності також зобразимо передній фронт трапеції у збільшеному масштабі, покажемо, скільки вибірок знадобилося для точного відновлення, рисунок 7.
Рисунок 7 – Передній фронт трапеції у дискретній формі
На малюнку видно, що з точного відновлення переднього фронту знадобилося 9 вибірок.
Таким чином ми оцифрували наш імпульс, тут можна підсумувати, що розробнику доводиться вибирати досить велику частоту дискретизації для точного відновлення форми сигналу, щоб зберегти всю інформацію про нього. Особливо, якщо форма сигналу – швидкозмінна.
65 нанометрів – наступна мета зеленоградського заводу «Ангстрем-Т», яка коштуватиме 300-350 мільйонів євро. Заявку на отримання пільгового кредиту під модернізацію технологій виробництва підприємство вже подало до Зовнішекономбанку (ВЕБ), повідомили цього тижня «Відомості» з посиланням на голову ради директорів заводу Леоніда Реймана. Зараз "Ангстрем-Т" готується запустити лінію виробництва мікросхем із топологією 90нм. Виплати за минулим кредитом ВЕБу, на який вона купувалась, розпочнуться в середині 2017 року.
Ключові американські індекси відзначили перші дні Нового року рекордним падінням, мільярдер Джордж Сорос вже попередив про те, що світ чекає на повторення кризи 2008 року.
Компанія "Байкал Електронікс" на початку 2016 року обіцяє запустити у промислове виробництво російський процесор Baikal-T1 вартістю близько $60. Пристрої матимуть попит, якщо цей попит створить держава, кажуть учасники ринку.
ПАТ "Мобільні ТелеСистеми" та компанія Ericsson уклали угоди про співпрацю в галузі розробки та впровадження технології 5G у Росії. У пілотних проектах, зокрема під час ЧС-2018, МТС має намір протестувати розробки шведського вендора. На початку наступного року оператор розпочне діалог із Мінкомзв'язку з питань сформування технічних вимог до п'ятого покоління мобільного зв'язку.
Голова Ростеха Сергій Чемезов в інтерв'ю РБК відповів на гострі питання: про систему «Платон», проблеми та перспективи АВТОВАЗа, інтереси Держкорпорації у фармбізнесі, розповів про міжнародне співробітництво в умовах санкційного тиску, імпортозаміщення, реорганізації, стратегії розвитку та нових можливостях у складний час.
Наглядова рада Ростеха затвердила "Стратегію розвитку до 2025 року". Основні завдання – збільшити частку високотехнологічної цивільної продукції та наздогнати General Electric та Samsung за ключовими фінансовими показниками.
Перетворення аналогового сигналу в цифрову форму є комплексом трьох операцій: дискретизацію, квантування і кодування.
Дискретизація – заміна безперервного аналогового ТВ-сигналу S(t) послідовністю вибірок (відліків) цього сигналу (Рис. 2). Ці відліки беруться у часи, відокремлені друг від друга інтервалом Т, який називається інтервалом дискретизації. Величина, обернена до інтервалу дискретизації, називається частотою дискретизації. Найбільш поширена рівномірна дискретизація із постійним періодом, заснована на теоремі Котельникова. Відповідно до цієї теореми будь-який безперервний сигнал S(t), що має обмежений спектр частот (0...f гp), може бути без втрат інформації представлений значеннями цього сигналу S di . взятими в дискретні моменти часу t n = nT (п = 1,2,3, ... - Цілі числа) за умови, що T? 0,5 / t rp (Т - період, або інтервал дискретизації). Мінімально допустима частота дискретизації за Котельником t д.хв = 2f гp.
Зрозуміло, що менше інтервал дискретизації (вище частота дискретизації), тим менше різницю між вихідним сигналом і його дискретизированной копією. Ступінчаста структура дискретизованого сигналу може бути згладжена за допомогою фільтра нижніх частот. Таким чином здійснюється відновлення аналогового сигналу з дискретизованого.
За дискретизацією при перетворенні аналогового сигналу на цифрову форму слід процес квантування, який полягає в заміні отриманих після дискретизації миттєвих значень відліків S di найближчими значеннями набору окремих фіксованих рівнів (рис.3). Квантування також є дискретизацією сигналу S q , але не в часі, а за рівнем. Фіксовані рівні, до яких прив'язуються відліки, називаються рівнями квантування. Динамічний діапазон зміни сигналу S(t), розбитий рівнями квантування окремі області значень (кроки квантування), утворює шкалу квантування.
Остання може бути як лінійною, і нелінійної, залежно та умовами перетворення. Округлення відліку до найближчого рівня (верхнього чи нижнього) визначається положенням порога квантування усередині кроку квантування.
Дискретизований та квантований сигнал S dq вже є цифровим. Дійсно, якщо амплітуда імпульсів дискретизованого сигналу S d може приймати будь-які довільні значення в межах вихідного динамічного діапазону сигналу S(t), то операція квантування призвела до заміни можливих значень амплітуди сигналу обмеженим числом значень, що дорівнює кількості рівнів квантування. Таким чином, квантована вибірка сигналу виражається деяким числом, що визначається числом рівнів квантування.
Для передачі такого сигналу каналами зв'язку його найкраще перетворити на двійкову форму, тобто. кожне значення рівня сигналу записати у двійковій системі числення. При цьому номер (значення рівня) перетворюється на кодову комбінацію символів "0" або "1" (рис.4). У цьому полягає третя, заключна oneрація перетворення аналогового сигналу S(t) в цифровий S dq , звана кодуванням .
Всі ці операції виконуються одним технічним пристроєм - аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Зворотне перетворення цифрового сигналу на аналоговий проводиться у пристрої, званому цифро-аналоговим перетворювачем (ЦАП). Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі - неодмінні блоки будь-яких цифрових систем передачі, зберігання та обробки інформації.
При безпосередньому кодуванні телевізійного сигналу кодові комбінації створюються з частотою, яка дорівнює частоті відліків (частоті дискретизації f д). Кожна кодова комбінація відповідає певному відліку і містить кілька m двійкових символів (бітів). Кодові слова можна передавати у паралельній чи послідовній формах. Для передачі в паралельній формі треба використовувати лінії зв'язку (на рис.4 к=4).
Символи кодового слова одночасно передаються лініями в межах інтервалу дискретизації. Для передачі у послідовній формі інтервал дискретизації треба поділити на подінтервали-такти. У цьому випадку символи слова передаються послідовно по одній лінії, причому на передачу одного символу слова приділяється один такт.
При передачі цифрової інформації каналами зв'язку швидкістю передачі називається число двійкових символів, що передаються, в одиницю часу. За одиницю швидкості приймається 1 біт/с. Швидкість передачі сигналу в цифровій формі дорівнюватиме добутку частоти дискретизації? д та числа двійкових символів в одному дискретному відліку m:
Якщо верхня гранична частота ТВ-сигналу дорівнює 6 МГц, мінімальна частота дискретизації, за теоремою Котельникова, дорівнює 12 МГц. Як правило, в системах цифрового телебачення частоту f д вибирають трохи вище за мінімально допустиму. Це пов'язано з необхідністю уніфікації цифрового ТВ-сигналу для різних стандартів телебачення. Зокрема, для студійного цифрового обладнання рекомендовано частоту дискретизації 13,5 МГц.
Число рівнів квантування сигналу має бути обране не менше максимальної кількості градацій яскравості, помітних оком, яке, залежно від умов спостереження, коливається в межах 100...200. Звідси m = 6,6 ... 7,6.
Очевидно, число символів кодової комбінації може бути цілим, а значить, розрядність кодової комбінації m=7 (або 8). У першому випадку кодова комбінація може нести інформацію про 128 можливих рівнів сигналу (градаціях яскравості), у другому випадку - 256. Якщо прийняти m = 8, то швидкість передачі цифрової інформації
V n =13,5 8=108 (Мбіт/с).
Якщо врахувати, що, крім сигналу яскравості, повинна бути передана інформація про колір, то загальний цифровий потік подвоїться і дорівнюватиме 216 Мбіт/с. Такою високою швидкодією повинні мати як пристрої перетворення ТВ-сигналу, так і канали зв'язку.
Передавати такий великий цифровий потік каналами зв'язку економічно недоцільно, тому наступним завданням є "стиснення" цифрового ТВ-сигналу. Резерви для зменшення цифрового потоку без шкоди якості відтвореного зображення існують. Ці резерви укладені у специфіці ТВ-сигналу, що має значну інформаційну надмірність. Цю надмірність зазвичай поділяють, незважаючи на деяку умовність такого поділу, на статистичну та фізіологічну.
Статистична надмірність визначається властивостями зображення, яке є у випадку хаотичним розподілом яскравості, а описується законами, встановлюють певні зв'язку (кореляцію) між яскравостями окремих елементів. Особливо велика кореляція між сусідніми (у просторі та часі) елементами зображення. Знання кореляційних зв'язків дозволяє не передавати багаторазово ту саму інформацію і скоротити цифровий потік.
Другий тип - фізіологічна надмірність - обумовлюється обмеженістю зорового апарату людини. Врахування фізіологічної надмірності дозволяє не передавати в сигналі ту інформацію, яка не буде сприйнята нашим зором.
Аналогічно, недосконалість слухового апарату людини дозволяє "позбутися" надмірної аудіоінформації в сигналі.
Аналогові сигнали є первинним джерелом інформації з довкілля. Оцифрування сигналу завжди супроводжується втратою якості. Це недолік цифрових технологій.
Оцифрування сигналу має три етапи: дискретизацію, квантування, кодування. Їхня взаємодія показана на малюнку.
Дискретизація – це розбиття аргументів на рівні ділянки.У будь-якій залежності є аргумент та є функція. Аргумент задається, а функція змінюється у певній залежності від аргументу. Аргумент може бути один, може бути кілька. Тож якщо це якийсь звуковий сигнал, то аргументом служить час (рисуємо). При оцифруванні зображення маємо два аргументи: ширина та висота (рисуємо). В обох випадках аргументи розбиваються на рівні частини.
Квантування – розбиття області існування функції на рівні ділянки, число яких становить 2 8 N , де 8N- Розрядність квантування.Тобто кількість ділянок дорівнює кількості можливих поєднань двійкових цифр в одному, двох, трьох і т.д. байт.
На практиці застосовуються розрядності 1, 2, 3, 4, тоді область існування функції ділиться на 28 = 256, 216 = 65536, 224 = 16777216, 232 = 4294967296 ділянок. Функцій також може бути одна і кілька. Наприклад, у чорно-білому зображенні функція одна – 256 градацій сірого кольору. А у моделі RGB функцій три: по 256 градацій червоного, зеленого та синього кольору.
Кодування – це розбиття сигналу відповідно до прийнятих правил дискретизації та квантування.Усередині кожної елементарної ділянки аргументу функція залишається постійною і цій ділянці надається двійковий код за шкалою функцій, що складається з 8, 16, 24 і т.д. двійкові цифри.
В результаті виходить ступінчаста крива, яка зі збільшенням розрядності наближається до реального сигналу. Щаблі можуть бути меншими, але ніколи не перетворяться на плавну лінію (Див. файл «Оцифровка А1»).
Зазначений недолік, звичайно, непереборний, але в цифрових технологіях можна підвищити точність оцифрування рівня чутливості вимірювання аналогового сигналу. І тоді вплив оцифрування зведеться до мінімуму.
У системі кодування ASCII(American Standard Code for Information Interchange – стандартний код інформаційного обміну США) кожен символ представлений одним байтом, що дозволяє закодувати 256 символів.
У ASCII є дві таблиці кодування – базова та розширена. Базова таблиця закріплює значення кодів від 0 до 127, а розширена відноситься до символів з номерами від 128 до 255. Цього вистачить, щоб висловити різними комбінаціями восьми бітів всі символи англійської та російської мов, як малі, так і великі, а також розділові знаки, символи основних арифметичних дій та загальноприйняті спеціальні символи, які можна спостерігати на клавіатурі.
Перші 32 коди базової таблиці, починаючи з нульового, віддано виробникам апаратних засобів (насамперед виробникам комп'ютерів та друкувальних пристроїв). У цій області розміщуються так звані керуючі коди, яким не відповідають жодні символи мов, і, відповідно, ці коди не виводяться ні на екран, ні на пристрої друку, але ними можна керувати тим, як виводиться інші дані. Починаючи з коду 32 по код 127, розміщені символи англійського алфавіту, розділові знаки, цифри, арифметичні дії та допоміжні символи, всі їх можна бачити на латинській частині клавіатури комп'ютера.
Друга розширена частина віддана національним системам кодування. У світі існує багато нелатинських алфавітів (арабська, єврейська, грецька та ін.), до яких входить і кирилиця. Крім того, німецька, французька та іспанська розкладки клавіатури відрізняються від англійської.
В англійській частині клавіатури раніше було багато стандартів, а тепер усі вони замінені на єдиний код ASCII. Для російської клавіатури теж існувало багато стандартів: ГОСТ, ГОСТ-альтернативна, ISO (International Standard Organization - Міжнародний інститут стандартизації), але ці три стандарти фактично вже вимерли, хоча можуть десь зустрітися, в якихось допотопних комп'ютерах чи мережах. 12
Основне кодування символів російської мови, яке використовується в комп'ютерах з операційною системою Windows називається Windows-1251, вона була розроблена для алфавітів кирилиці компанією Microsoft. Природно, що у Windows-1251 закодовано абсолютну більшість російськомовних текстів. До речі, кодування з іншим чотиризначним номером розроблено Microsoft для інших поширених алфавітів: Windows-1250 для розширеної латиниці (різні національні латинські літери), Windows-1252 для івриту, Windows-1253 для арабської писемності тощо.
Інше, менш поширене кодування зветься КОІ-8(Код обміну інформацією, восьмизначний). Її походження належить до 60-х років ХХ століття. Тоді не існувало персональних комп'ютерів, мережі Інтернет, компанії Microsoft та багато іншого. Але в СРСР вже було досить багато ЕОМ, і для них потрібно було розробити стандарт кодування кирилиці.
Сьогодні кодування КОІ-8 має поширення у комп'ютерних мережах на території колишнього СРСР та у російськомовному секторі Інтернету. Буває так, що якийсь текст листа або ще чогось не читається, це означає, що треба перейти з КОІ-8 чи іншого кодування у Windows-1251.
У 90-х роках найбільші виробники програмного забезпечення: Microsoft, Borland та Adobe прийняли рішення про розробку іншої системи кодування тексту, в якій кожному символу буде відводитися не 1, а 2 байти. Вона отримала назву Unicode.
За допомогою 2-х байтів можна закодувати 65536 символів. Цього масиву виявилося достатньо розміщення у одній таблиці всіх національних алфавітів, існуючих Землі. Крім того, в Unicode включено багато різних службових позначень: штрих коди, абетка Морзе, абетка прапорів, абетка Брайля (для сліпих), знаки валют, геометричні фігури та багато іншого.
Усього Unicode налічує понад 90 сторінок, на кожній розташований будь-який національний або службовий алфавіт. І ще близько 5 тисяч символів займає так звана «область загального призначення», незаповнена, залишена як резерв.
Найбільшу сторінку (близько 70% всього Unicode) займають китайські ієрогліфи, які набирають у Китаї за допомогою клавіатурних наборів. В одній тільки Індії є 11 різних алфавітів, є в Unicode безліч екзотичних назв, наприклад: писемність канадських аборигенів. Взагалі розгляд національних писемностей досить цікавий з погляду географії та історії.
Переваги Unicode є очевидними. Система стандартизує всі національні та службові текстові символи. Усувається плутанина, що виникає через різні національні стандарти. Створюються навіть шрифти всім алфавітів, наприклад Arial Unicode.
Оскільки кодування кожного символу в Unicode відводиться не 8, а 16 розрядів, обсяг текстового файлу збільшується приблизно 2 разу. Колись це було перешкодою для запровадження 16-розрядної системи. А зараз, за сучасного розвитку комп'ютерної техніки, збільшення розміру текстових файлів великого значення немає. Тексти займають дуже мало місця у пам'яті комп'ютерів.
Кирила займає в Unicode місця з 768 по 923 (основні знаки) і з 924 по 1023 (розширена кирилиця, різні малопоширені національні літери). Якщо програма не адаптована під кирилицю Unicode, можливий варіант, коли символи тексту розпізнаються не як кирилиця, а як розширена латиниця (коди з 256 по 511). І тут замість тексту на екрані з'являється безглуздий набір екзотичних символів.
Це можливо, якщо програма застаріла, створена до 1995 року. Або малопоширена, про русифікацію якої ніхто не подбав. Ще можливий варіант, коли встановлена на комп'ютері Windows не повністю налаштована під кирилицю. І тут треба зробити відповідні записи у реєстрі.
