4.10 Цифровая звукозапись

При цифровой записи исходный аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), l предполагающей выполнение трех операций: дискретизацию аналогового сигнала во времени путем выделения отсчетов значений в опреде­ленные моменты времени; дискретизацию по уровню (квантование); кодирование - присвоение каждому отсчету кодового значения (кодо­вого слова). Для кодирования используется двоичный код, в котором каждая позиция символа определяется единицей или нулем. После дис­кретизации во времени непрерывный сигнал превращается в последо­вательность импульсов - отсчетов с размахами, равными значениям непрерывного сигнала в дискретные моменты времени. Частота следо­вания этих импульсов равна частоте дискретизации т.д. В процессе квантования отдельные импульсы-отсчеты заменяются квантовыми отсче­тами. Для этого диапазон значений уровней аналогового сигнала делится на ряд фиксированных интервалов. Если уровень отсчета попадает внутрь интервала, то ему присваивается определенное значение квантовoгo отсчета, т.е. различным уровням, попадающим в один интервал, будет присвоено одно значение. Это приводит к неточности ИКМ - преобразования, к так называемому шуму квантования [27,28].

ИКМ выполняется в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). На выходе АЦП образуется последовательность кодовых слов, которые могут быть записаны на носителе. При воспроизведении кодового сиг­нала осуществляется обратное преобразование - цифро-аналоговое (ЦАП). В отличие от аналогового способа записи, когда на качество сигнала существенное влияние оказывают свойства носителя, при цифро­вом способе ситуация другая, поскольку требуется записывать и вос­производить только два уровня сигнала - 0 и 1. Поэтому нелинейные "Искажения и шумы носителя и канала записи в значительно меньшей Мере влияют на сигнал.

Точность передачи сигналов при ИКМ зависит от двух параметров: Частоты дискретизации и интервала квантования. Частота дискретизации должна превышать не менее чем в два раза верхнюю частоту звукового сигнала. В технике радиовещания в разной аппаратуре т_д принима-^ ^следУ°Щ^ие значения: 32 кГц - для цифровых линий связи, 44,1 кГц -пя систем компакт-диск и мини-диск, 48 кГц - для аппаратуры про-эссионального применения.

Величина интервала квантования характеризует ошибку квантования и связана с разрядностью двойного кода. Если разрядность кода п, то число уровней равно 2^П. Чем больше уровней квантования, тем меньше шаг квантования и большая точность ИКМ-преобразования.

Динамический диапазон при цифровой записи можно оценивать вы­ражением D = 6п+1,8. Если использовать кодирование с числом бит на отсчет п = 16, то для динамического диапазона получим D= 98 дБ. Оце­ним последовательность импульсов на выходе АЦП, называемую цифро­вым потоком, при преобразовании стереофонического сигнала с пара­метрами: f_fl = 44,1 кГц, п = 16. В единицу времени в одном канале созда­ется 44,1- 10³ отсчетов, и на каждый отсчет необходимо выделить 16 бит. Поскольку каналов два, то суммарный цифровой поток составит 44,1-10³-16-2=1,4-10⁶бит/с=1,4 Мбит/с. Однако для нормальной работы системы цифровой записи этого недостаточно, поскольку еще необхо­димо передавать различную служебную информацию. В результате ре­альный цифровой поток увеличивается примерно до 2 Мбит/с. Отметим, что при таких условиях ИКМ звуковой сигнал передается в полосе 20 кГц - 20 кГц, практически без нелинейных искажений с динамическим диа­пазоном около 100 дБ. Однако реализовать эту, казалось бы, простую идею оказалось непросто. По существу, улучшение качественных пара­метров цифрового канала достигнуто за счет значительного увеличения пропускной способности канала. Ведь требование о передаче цифрово­го потока 2 Мбит/с эквивалентно требованию передачи сигнала с поло­сой до 2 Мгц, что в 100 раз больше полосы звукового сигнала.

Проблема записи цифрового потока 2 Мбит/с была решена путем кар­динального улучшения носителей и систем аппаратуры записи и вос­произведения. В зависимости от используемого носителя различают магнитную, магнитооптическую и оптическую цифровую звукозапись.