ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5М
Исследование влияния длины кодового слова на нелинейные искажения и уровень шумов квантования звукового сигнала
Цель работы: исследовать влияние количества уровней квантования звукового сигнала и формата его сохранения на нелинейные искажения и уровень шумов квантования.
Задания на самостоятельную работу:
- изучить возможности программного продукта (ПП) Sound Forge для измерения объективных параметров сигнала;
- сформировать испытательные сигналы;
- приобрести навыки работы с измерителем уровня звукового сигнала и анализатором спектра ПП Sound Forge.
Теоретическая часть
В процессе формирования, преобразования и передачи электрических звуковых сигналов (ЗС) в них вносятся искажения: линейные, нелинейные и шумы. Впоследствии, перед воспроизведением таких сигналов, первый вид искажений сравнительно легко уменьшить. Для уменьшения заметности третьего вида искажений применяют специальные устройства – шумоподавители, и какими бы шумы сигнала не были эта задача, в принципе, решаема. Устранить внесённые в ЗС нелинейные искажения в результате неправильной обработки или при передаче практически невозможно. Все цепи прохождения электрических ЗС в той или иной степени - нелинейны. И только благодаря введению отрицательных обратных связей удаётся снизить вносимые нелинейные искажения, в том числе даже до значений ниже порога слуховой заметности.
При цифровой передаче ЗС нелинейной обработки не избежать: это происходит при аналого-цифровом представлении сигналов. При этой процедуре каждый квантованный аналоговый отсчёт ЗС заменяется дискретным, наиболее близким к нему. В результате этой замены появляется ошибка (погрешность округления), максимальное значение которой составляет (при линейном квантовании) половину шага квантования - δ/2. В свою очередь шаг квантования δ определяется количеством разрешённых (имеющихся) уровней квантования, которые определяются количеством разрядов квантования n (длиной кодового слова). До тех пор, пока эта погрешность округления относительно исходного сигнала невелика, она проявляется (и воспринимается на слух) как шум (квантования). При большой её величине она воспринимается уже как нелинейные искажения. Лабораторная работа посвящена исследованию зависимости величины нелинейных искажений и шумов квантования, вносимых в ЗС при его квантовании, от длины кодового слова.
Нелинейность тракта передачи, согласно ГОСТ 11515-91, измеряется двумя методами: коэффициента гармоник и разностного тона.
Метод коэффициента гармоник
На вход исследуемого тракта последовательно подаются испытательные гармонические сигналы с частотами от f=40Гц до f=6300Гц и номинальным уровнем. Из-за нелинейности тракта на его выходе, кроме напряжения основной частоты Uf1, появляются напряжения (2-й, 3-й…k-й) гармоник: U2f1, U3f1,…Ukf1. Величину нелинейности оценивают по коэффициенту гармоник, который рассчитывают по формуле:
Кг=(U22f1,+U23f1+…+U2kf1)0,5/Uf1∙100, %. (5.1)
На рис.5.1 приведены спектры гармонического ЗС на выходе тракта звукопередачи при его исследовании методом коэффициента гармоник для двух случаев: если относительная нелинейность тракта невелика (а) и если относительная нелинейность тракта значительна (б).
а)
б)
Рис.5.1. Спектр гармонического сигнала (f=320Гц)
если: а – нелинейность тракта невелика, б –
нелинейность тракта значительна
Реальный ЗС имеет довольно широкий динамический диапазон, который у речевого сигнала находится в пределах (20…30)дБ, а музыкального –(30…80)дБ. Поэтому при процедуре аналого-цифрового преобразования ЗС (оцифровывании) даже при большом количестве уровней квантования с уменьшением уровня сигнала нелинейные искажения возрастают.