549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Оперспективах развития технологий записи

ивоспроизведения аудиосигналов

И. А. Оболонин

Приведен аналитический обзор состояния технологий звукозаписи и звуковоспроизведения на современном этапе развития техники и требований к качеству звуковоспроизведения высококачественных аудиосигналов.

Ключевые слова: аудиосигнал, аналоговая звукозапись, цифровая звукозапись, сигма- дельта преобразование, импульсно-кодовая модуляция, виниловая пластика, магнитная запись.

1. Введение

Любой аудиосигнал (музыкальный или речевой) является нестационарным процессом с широким спектром частот.

Для хорошего звучания музыки (прозрачного и детализированного) необходима звукозаписывающая и звуковоспроизводящая аппаратура, создающая малые нелинейные искажения и обладающая достаточной широкополосностью (не менее 60 кГц).

Динамический диапазон музыкальных произведений иногда превышает 100 дБ. Пока ещѐ не создано звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуры, способной пропускать сигнал с таким динамическим диапазоном. Поэтому при записи производится компрессия, вносящая искажения. Это приводит к перераспределению энергии между спектральными составляющими, то делает звук «плоским».

2. О качестве аналоговой и цифровой звукозаписи

Компакт-диск (CD) ограничивает частотный диапазон записываемого сигнала двадцатью килогерцами. Высшие гармоники музыкальных инструментов и вокала достигают 60 кГц. Слуховой аппарат человека такие частоты не воспринимает, однако человеческий мозг способен восстанавливать полноценное музыкальное звучание, только с учѐтом этих гармоник. Отсутствие высших гармоник приводит к тому, что слух воспринимает информацию в искажѐнном виде.

При записи на компакт-диск цифровая обработка обрезает пики сигналов, превышающие допустимые значения. Пики могут оставляться, но занижается общий уровень сигнала, либо используют динамическую обработку.

При занижении сигнала запись теряет сигналы среднего уровня. При динамической обработке появляются высокочастотные шумы, которые убирают фильтром низких частот, который вносит значительные фазовые искажения и шумы квантования.

Для борьбы с шумами подмешивают белый шум, который маскирует шумы квантования, либо повышают разрядность сигнала до 20 бит. Эти меры требуют дополнительных электронных устройств, вносящих в звук компакт-диска свои призвуки.

Основное преимущество, благодаря которому компакт-диск, как новый носитель, успешно продвигался на рынке – особенная чистота звучания копии аналоговых записей, сделанных за предшествующий многолетний период. Это преимущество было обусловлено более широким, по сравнению с аналоговыми носителями, динамическим диапазоном.

432

Стандартное соотношение сигнал/шум 16-битных систем записи звука – примерно 90 дБ. При аналоговой записи на профессиональную ленту, собственный динамический диапазон которой составляет всего 55 дБ, такого соотношения не удавалось добиться даже при помощи систем шумоподавления (в лучшем случае – 85 дБ).

Преимущества цифровой техники в области звукозаписи известны: выше соотношение сигнал/шум; обеспечение произвольного доступа;

возможность многократного копирования без ухудшения качества сигнала.

Тем не менее, аналоговая запись обладает определѐнными привлекательными особенностями, которые особенно проявились в последнее время.

Известно, что ленту можно «хорошенько нагрузить», не испортив при этом звучания. В технических характеристиках аналоговых магнитных лент реальный запас по перегрузке не публикуется, соответственно не может быть «законно» принят расчѐт.

Соотношение сигнал/шум для аналоговой ленты вычисляется относительно максимального уровня записанного сигнала определѐнной частоты, при котором возникает определѐнное количество гармонических искажений (THD). Обычно это уровень, при котором в сигнале частотой 1000 Гц коэффициент гармоник не превышает 3%.

На практике же сигнал в пиках может превысить этот уровень на 5, 10 или даже 15 дБ без слышимых искажений. Конечно, при таком высоком уровне сигнала искажения тоже увеличиваются, но в данном случае они рассматриваются как эффект, называемый «насыщение ленты», звучание которого стало популярным в эпоху возрождения ламповой техники.

Очевидно, что аналоговая запись позволяет на практике использовать более широкий динамический диапазон, нежели указано в технических характеристиках магнитной ленты.

Очень часто при записи громких звучаний (например, барабана) в пиках, превышающих границу допустимых искажений на 15-20 дБ, они при воспроизведении звучат «красиво» (или приятно на слух). Поэтому при включении системы шумоподавления (увеличивает Dc на 20 дБ), динамический диапазон воспроизводимого сигнала составит не менее 90 дБ, что сравнимо с 16-битной «цифрой».

В цифровых же системах перегрузки недопустимы (т.е. не допускают искажений, звучание которых может нравиться). При перегрузке аналого-цифрового преобразователя (АЦП) порождают собственные побочные эффекты.

Если сравнивать цифровую и аналоговую обработку сигналов, то несомненные преимущества цифровой обработки имеют и оборотную сторону, которая особенно заметно проявляется при реализации в цифровом виде селективных устройств (фильтров, фазовращателей, эквалайзеров).

Конечно неоспоримо мнение о том, что невозможно сделать в «аналоге» возможно в «цифре». В принципе, это верно. Но... Пожалуй, ни для кого будет большим секретом тот довольно грустный факт, что качество чисто программных эквалайзеров, реализованных в различных компьютерных Plug-in – мягко говоря, оставляет желать лучшего.

Не в последнюю очередь это связано с тем, что фактически любая программа является лишь математической моделью своего более-менее реального физического прототипа. А все частотно-избирательные цепи в звуковой аппаратуре относятся к классу так называемых IIR- фильтров, т.е. фильтров с бесконечной импульсной характеристикой (Infinite Impulse Response). Или, говоря проще, при подаче на вход любого частотно- избирательного устройства какого-либо внешнего воздействия – его выходной сигнал также будет длиться бесконечно. А как хорошо написали братья Стругацкие в известной книге – «познание бесконечности требует бесконечного количества времени»...

Таким образом, чтобы строго смоделировать «в цифре» то, что «в аналоге» получается само собой, потребуется вычислитель с бесконечно большой вычислительной мощностью и с неограниченной же разрядной сеткой, но это невозможно. Поэтому, чтобы получить реально

433

работающие цифровые обработки – по необходимости приходится «урезать» вычислительные алгоритмы, сокращая объем вычислений до разумного минимума. Естественно, что это далеко не самым лучшим образом сказывается на главном результате, на получаемом звуке. А теперь – попробуем себе представить, как в эти, и без того «обкромсанные» алгоритмы впихнуть ещѐ и кучу вычислений для компенсации фазовых сдвигов.

Похоже, в обозримом будущем – не приходится всерьѐз рассчитывать на широкое и повсеместное внедрение «не крутящих фазу» эквалайзеров. Ведь сейчас хорошо звучащие цифровые эквалайзеры собираются с использованием доброго десятка (!) мощнейших DSP- процессоров типа SHAPC. И при этом – они всѐ же «крутят фазу»...

С середины 80х годов и по настоящее время господствуют цифровые технологии звукозаписи, обработки и звуковоспроизведения сигналов.

3. Сравнение цифровых технологий звукозаписи

Преимущества цифровых методов известны и не вызывают сомнений. Однако среди специалистов в области аудиотехники, экспертного сообщества и меломанов уже давно нарастает степень критического отношения к качеству звучания таких устройств.

В аудиотехнике существуют две основные технологии аналого-цифрового преобразования – классическая импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и сигма-дельта (ΣΔ) модуляция.

Для применения в области аудиотехники нет единодушия среди специалистов и исследователей этих двух технологий.

Так авторы статьи [1] со ссылкой на ряд других источников [2] утверждают, что звукозаписывающая индустрия совершит ошибку, если вместо многоразрядного линейного ИКМ примет одноразрядное сигма-дельта преобразования в качестве основного формата для высококачественной обработки, архивирования или распространения.

Причину этого авторы видят в том, что при надлежащем сглаживании они постоянно перегружаются. Чтобы избежать перегрузки, существует возможность провести только частичное сглаживание. В результате, невозможно полностью избежать искажений, предельных циклов, нестабильности и модуляции шума. Представляя эти эффекты и, используя методы когерентного усреднения, показано множество вытекающих из этого нелинейных наведѐнных помех, обычно скрытых в уровне шума. Таким образом, системы записи, редактирования, хранения или преобразования, использующие однокаскадные одноразрядные сигма-дельта модуляторы, наносят ущерб высококачественному аудио. В отличие от них, многоразрядные сигма-дельта модуляторы, на выходе которых создается линейный ИКМ код, принципиально можно совершенствовать бесконечно. (Здесь "многоразрядный" означает наличие в преобразователе, по меньшей мере, двух битов.) В них можно осуществлять надлежащее сглаживание с гарантированным отсутствием каких-либо искажений, предельных циклов и модуляции шумов.

Побудительным фактором для разработки одноразрядной архитектуры являлась не возможность получения лучших характеристик, а скорее тот факт, что их производство дешевле, потребляют меньше мощности и хорошо работают при напряжениях, используемых в переносном оборудовании с батарейным питанием. В настоящее время это отошло на второй план, поскольку одноразрядные преобразователи в настоящее время используются в бытовой аппаратуре всех ценовых категорий и всех уровней качества.

Однако, несмотря на все усилия производителей, им никак не удаѐтся полностью устранить все нежелательные наведѐнные помехи таких преобразователей, и после десятилетних усилий, они пришли к пониманию того, что лучшие характеристики получаются при использовании в аппаратуре архитектуры с многоразрядным преобразователем. Единственное явное достоинство, присущее одноразрядной архитектуре –

434

избежание проблем с согласованием уровней, возникающих в многоразрядных преобразователях – оказалось и не таким важным.

Поэтому авторы указанной и некоторых других публикаций считают, что аналого- цифровые, цифро-аналоговые преобразования и все промежуточные операции обработки цифрового сигнала, скорее всего, будут производиться с использованием многоразрядных преобразователей и форматов хранения. В действительности, отсутствуют проблемы ухудшения качества сигнала при сжатии его в одноразрядный формат Super Audio CD для передачи потребителю, но только в том случае, если при воспроизведении используется многоразрядная ИКМ.

В работе [1] показано, что мощность квантования многоразрядного квантизатора без

Оппоненты приведѐнной выше точки зрения, если говорить кратко, утверждают [3, 4], что важной отличительной особенностью сигма-дельта модуляции является одновременное использование трѐх аудио технологий: Dithering, Oversampling и Noise Shaping. С помощью этих технологий ошибки квантования преобразуются в шум, спектр шума расширяется в область ультразвуковых частот и преобразуется так, что его спектральная плотность мощности в звуковом диапазоне сильно уменьшается, а в области высоких частот далеко за пределами частоты Найквиста увеличивается.

Технология Dithering осуществляет декорреляцию ошибок квантования и тем самым преобразует дискретный спектр ошибок в спектр белого шума квантования. Такое преобразование осуществляется путем добавления на вход квантователя вместе с аналоговым ЗС дополнительного шума небольшого уровня.

Обсуждение других технологий сигма-дельта преобразований выходит за рамки данного обзора.

О магнитной звукозаписи уже было сказано немного выше. На рубеже начала 80х годов прошлого века цифровая магнитная звукозапись вытеснила аналоговую.

Цифровую запись отличают высокое отношение сигнал/шум, низкий коэффициент нелинейных искажений. Беда аналоговых аппаратов – детонация – практически устранена. Но оборотная сторона цифровой звукотехники, которая упомянута выше, конечно остаѐтся.

4.Анализ звукозаписи на виниловых пластинках

Атеперь о виниловых пластинках, что это – ностальгия, прихоть меломанов или перспективы?

По мнению многих авторов [5] сегодня виниловая пластинка по праву носит титул самого удобного и качественного аналогового носителя аудиоинформации. Несмотря на то, что в конце семидесятых годов прошлого века пластинки были вытеснены с рынка появлением дешѐвого аналога в виде аудиокассеты, а позже и компакт дисков (CD), виниловые пластинки и по сей день чувствуют себя замечательно и занимают устойчивую позицию на рынке аудионосителей.

Многие из вас зададутся вопросом, кому может понадобиться в эпоху цифрового звука аналоговый носитель из середины прошлого века? Это распространенное заблуждение, которое основано на мифе, что всѐ новое лучше старого. Данное утверждение не является верным, поскольку виниловые пластинки используют радикально другой тип звукозаписи, нежели те же музыкальные CD-диски.

Виниловые пластинки, где максимальный уровень сигнала определяется механически – глубиной канавки, вот почему все проблемы CD отсутствуют. Фирма "Тельдек" внедрила технологию грамзаписи DMM прямо на металлический диск, с которого происходит тиражирование виниловых пластинок, где регулируя глубину канавки (на разных частотах)

435

можно относительно точно скопировать высшие гармонические составляющие. Тем самым приблизится к музыкальному оригиналу.

Современная цифровая обработка звука делает CD достаточно качественным носителем музыкальной информации. Выпускаются как однобитные, так и 16 -24 битные звуковые процессоры, все они имеют определѐнные достоинства и недостатки, но древние виниловые пластинки остаются непревзойдѐнными по воспроизведению качественного звука. Основная причина такого долголетия – аналоговая запись. Ведь человек воспринимает звук в аналоговой форме и преобразование аналога в цифру, а потом обратно, носит противоестественный характер.

Основное достоинство пластинки – это мягкий аналоговый звук. Грампластинки не подвержены действию электрических и магнитных полей, но подвержены температурным изменениям, влажности и, к сожалению, теряют в качестве звучания при постоянном использовании (прослушивании).

Впервые слова о том, что виниловые пластинки скоро станут историей, прозвучали при появлении CD. Сейчас же бытует мнение, что набирающие обороты цифровые форматы вытеснят с рынка и «винил» и CD [5].

Содной стороны в этих заявлениях слишком много преувеличений, но с другой есть и доля истины. Да, mp3 и другие цифровые форматы практически завоевали весь звуковой рынок. Тем не менее, сейчас можно смело сказать о том, что виниловые пластинки переживают своѐ второе рождение.

Об этом говорит статистика продаж, которая демонстрирует стабильный рост продаж виниловых носителей. С чем же это связано?

В первую очередь причина в том, что CD и цифровые носители не выдерживают конкурентной борьбы с электронной торговлей. Постоянно растѐт доля iTunes и интернет- магазинов музыки. Многие потребители предпочитают не приобретать CD, а скачивать музыку в Интернете. Свою роль здесь играют и пиратские сайты, и различные p2p сети. В результате значительная доля продаж электронной музыки приходится на Интернет. И при этом можно с уверенностью заявить о том, что данная тенденция сохранится в ближайшем будущем.

Так в чѐм же преимущества виниловой пластинки? В первую очередь это качество звучания. Для истинных меломанов, у которых главным приоритетом является звук и антураж, никогда не поменяют виниловую пластинку на диск с mp3.

Сточки зрения коммерческого успеха у «винила» есть иммунитет к атакам Интернета. Если для копирования и распространения песни в цифровом формате достаточно обычного ПК, то для качественного копирования песен с аналоговых носителей необходимо специальное оборудование.

Даже более того, виниловые пластинки становятся более популярными благодаря Интернету. Ведь именно он позволил перенести торговлю виниловыми пластинками в виртуальный мир, где пользователям не нужно тратить много времени на поиск нужного альбома, где всѐ собрано и классифицировано.

Орастущей популярности виниловых пластинок говорит и тот факт, что ведущие музыкальные производители и дистрибьюторы образовывают альянсы для уравнивания винила в правах с цифровыми носителями.

Дистрибьюторы требуют, чтобы цифровые релизы были доступны к скачиванию не ранее чем через две недели после выхода винила. Это выгодно и для коммерческих распространителей, и для любителей клубной музыки, которые хотят услышать от ди-джеев нечто новое, а не знать заранее, что он может предложить.

436

5. Выводы

Проведѐнный аналитический обзор, не претендуя на полноту, позволяет сделать следующие выводы:

-для массового потребления, особенно в подвижном варианте цифровые носителя записи завоевали рынок потребления и не имеют конкурентов;

-для меломанов и просто любителей с хорошим слухом виниловая пластинка имеет несомненные преимущества;

-в профессиональной звукозаписи в процессах обработки, редактирования, монтажа, компоновки, выдачи в эфир и тиражирования звуковых программ сейчас широко используется цифровая запись на диски, цифровые рабочие станции, позволяющие работать с 48, 64 и более дорожками, а также цифровая магнитная запись.

Литература

1.StanLey P. Lipehitz, John Vanderkooy. Почему одноразрядное сигма-дельта преобразование неприемлемо для высококачественных приложений. По конференциям общества инженеров по звукотехнике. Амстердам, Нидерланды,

2001

2.A. Nishio, G. Ichimura, Y. Inazawa, N. Horikawa, and T. Suzuki. Direct Stream Digital Audio System // 100th Convention of the Audio Engineering Society, Copenhagen, 1996 May 11-14, preprint 4163.

3.Pohlman K. C. Principles of Digital Audio, 5rd Ed., McGraw-Hill, 2005. – 860 p.

4.Вологодин Э.И. Сигма-дельта модуляция в цифровой аудиотехнике. СПбГУТ, 2013.

– 37 с.

5.http://proektor54.ru, http://creedence.ru

Оболонин Иван Алексеевич

кандидат технических наук, доцент кафедры систем автоматизированного проектирования СибГУТИ

тел. (383) 269-82-59, e-mail: oinandein@mail.ru

About prospects of development of technologies of recording and playback of audio signals

I. A. Obolonin

The analytical review of the state technology sound recording and reproduction at the present stage of technology development and quality requirements for reproduction of high quality audio signals.

Keywords: audio, analog recording, digital recording, Sigma-Delta conversion, pulse code modulation, vinyl plastic, magnetic recording.

437

Рис. 1. Траектория движения пластины относительно игл

В разработанном на основе механики от «ЗОНД-А5» автомате установка и снятие пластин, а так же ориентация пластины осуществляется оператором в ручном режиме [1]; дальнейшая работа автомата производится в автоматическом режиме вместе с измерительным комплексом, подключаемым к «Зонду» и контактирующим иголкам автомата.

Разработанный автомат выполнен на базе однокристальной микроЭВМATmega64, которая осуществляет опрос всех датчиков положения пластины, выполняет необходимый алгоритм работы автомата на различных режимах, а так же реализует дистанционное управление с ПЭВМ. Вся логика работы автомата хранится во внутренней ППЗУ однокристальной микроЭВМ. Параметры, которой полностью отвечают поставленным задачам [2]. Разработка управляющей программы осуществлялась на языке С в среде программирования CodeVision AVR. Структура зондового автомата показана на рисунке 2.

Рис. 2. Структура зондового автомата «ЗОНД-А5М»

Построение автомата на базе однокристальной микроЭВМ позволило в значительной степени упростить принципиальную схему автомата, ввести новые режимы управления автоматом, реализовать дистанционное управление, снизить массу и энергопотребление всего устройства.

Органы управления нового автомата «ЗОНД-А5М» представляют собой набор кнопок различного назначения, начиная от кнопок выбора режима, заканчивая кнопками перемещения и подъема пластины. Индикация режимов осуществляется 9-ю светодиодами, установленными на лицевой панели автомата. Данные светодиоды работают в динамическом режиме под управлением микросхемы КР1564ИД3. Индикация установленного размера кристалла по осям X и Y, а так же дополнительного шага производится 7-ю семисегментными индикаторами, работающими в динамическом режиме с применением микросхемы КР514ИД2. Управление шаговыми электродвигателями перемещения стола осуществляется от специализированного двух координатного драйвера.

Минимальный шаг перемещения предметного столика зонда составляет 0,01мм, а один шаг поворота ротора двигателя передвигает столик на расстояние LШ равное 0,002мм, при этом коэффициент деления управляющих импульсов драйвера фиксированный и составляет 64 значения. Поэтому количество импульсов N, подаваемого на драйвер управления электродвигателями, для перемещения столика на расстояние LП, при фиксированном коэффициенте деления К вычисляют по формуле:

439

Подставляя значения в которую получим, что необходимое количество подаваемых импульсов на драйвер управления электродвигателями равно 320. Данное число используется однокристальной микроЭВМ для перерасчета значения шагов, при перемещении предметного столика.

На задней стенке автомата имеются разъемы сетевого питания, винт подключения заземления, разъем для подключения измерителя и разъем USB для подключения автомата к ПЭВМ. Связь автомата с ПЭВМ осуществляется по интерфейсу USB через микросхему преобразователя FT232RL.

Внешний вид разработанного зондового автомата «ЗОНД-А5М» показан на рисунке 3. Данный автомат осуществляет контактирование на пластинах диаметром до 100 мм. Минимальный шаг перемещения пластины 0,01 мм. Автомат имеет возможность проверки структур, сформированных как в клеточном, так и в шахматном порядке. Возможно дистанционное управление автоматом с ПЭВМ с целью автоматизации сложных процессов проверки структур. Автомат имеет разъем для подключения измерителя, толерантный к входным уровням логической единицы от 3 до 15 вольт. Также на автомате установлен счетчик брака. Предусмотрена плавная регулировка яркости подсветки микроскопа, а так же возможность установки маркирующих устройств на 24 и 50 вольт.

Рис. 3. Внешний вид зондового автомата «ЗОНД-А5М»

4.Выводы

Внастоящее время изготовлено два образца автомата «ЗОНД-А5М», оба они эксплуатируются на Новосибирском заводе полупроводниковых приборов, в цехах по сборке микросхем и стабилитронов. Внедрение данных автоматов в эксплуатацию облегчило труд операторов в связи с упрощением управления. Так же их внедрение позволило отказаться от устройств согласования по уровню при состыковке автомата с измерительными установками. И самое главное, применение данных автоматов позволило проводить проверку пластин с ограничителями напряжения, сдвинутыми в шахматном порядке.

Литература

1.Автомат зондовый «ЗОНД-А5» СММ 2.688.007

2.Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейства Mega. - М., 2007.

440