Цифровий принцип запису звуку

З недавнього часу радіоелектроніка розділилась на дві велетенські області – область аналогової техніки і область цифрової. Перша займається сигналами, які порівняно плавно змінюються (в даному випадку " плавно" зовсім не значить «повільно», сигнал може мінятися дуже швидко, і в той же час плавно, без різких стрибків або провалів), скажемо, струмами, які в процесі зміни можуть мати нескінчену множину різноманітних значень

Класичний приклад аналогового сигналу – струм у колі мікрофону, електрична копія звуку. Взагалі типове завдання аналогової техніки – копіювати сигнал, після будь-яких видів його обробки, зберігати в найменших деталях весь хід зміни струму, форму його графіку. Самі словосполучення " аналогова техніка", " аналогова, схема", " аналоговий сигнал" походять від грецького " anatogia" (" аналогія") – " схожість", " подібність".

Цифрова техніка займається сигналами зовсім іншого виду – в них важливі тільки два значення, тільки " так" або " ні". Частіше всього це так звані прямокутні імпульси – сплески, ривки струму, коли він різко зростає до свого максимуму, деякий час залишається незмінним а після так же різко спадає. Формуються цифрові сигнали в два прийоми. Спочатку тактовий генератор видає безмежну серію однакових імпульсів і вони надходять в електронний блок, який називається шифратором. Тут є швидкодіючий напівпровідниковий вимикач, який вміє в необхідний момент на будь-який час розімкнути коло і зробити неможливим проходження того або іншого певного імпульсу. В результаті в момент, коли цей " певний імпульс" повинен був би вийти із шифратора, з нього нічого не виходить, між імпульсами виникає пауза. Шифратор може " за вказівкою зверху" створювати будь-які комбінації імпульсів і пауз, такими комбінаціями відображають двійкові числа в комп'ютерах: сам імпульс є електричним записом одиниці, пауза – записом нуля. А в описі електронних схем, замість того, щоб зображати комбінації імпульсів – пауз, пишуть ланцюжки із одиниць і нулів, наприклад 1101 або 00101111001. Від всього цього, очевидно і походять словосполучення " цифрова електроніка", " цифрова схема", " цифровий сигнал", все те, що на професійному жаргоні називають коротко – " цифра".

Заміна незамінного, здавалось би, аналоговою сигналу цифровим в принципі здійснюється досить просто – проміжні значення, через які проходить струм, який безперервно і складним чином змінюється, кодуються певними двійковими числами, серії імпульсів і пауз, які виникають і фактично являють собою цифровий опис всіх змін аналогового сигналу, його детальний літопис. Вже давно існує літописець, який може виконувати подібну роботу, – аналого-цифровий перетворювач, скорочено АЦП. Це по суті справи, шифратор, дії якого залежать від підведеного до нього аналогового сигналу, який у даному випадку, якраз і є " вказівкою зверху". Якщо подасте, наприклад, на АЦП напругу 0, 2 В, то він і сформує із безперервної серії імпульсів цифровий сигнал 0010, подасте 0, 3 В, і з АЦП вийде комбінація імпульсів-пауз 0011, напруга 0, 4 В перетвориться в код 0100, і так далі.

Цей процес ще називають імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ), у нього є дві характеристики, про які корисно знати.

Перша – частота дискретизації, або простіше, частота вибірки. Вона говорить про те, як часто, а конкретно, скільки раз в секунду в АЦП відбувається вимірювання аналогового сигналу і з'являється двійкове число, шифр величини, яка вимірюється. Друга важлива характеристика – крок квантування, мінімальна різниця між сусідніми рівнями аналогового сигналу, за якими закріплені двійкові числа. Це також найважливіший показник точності перетворення " аналогу" в " цифру" – чим менший крок квантування, чим менші сходинки, тим точніше в цифровому коді можна відобразити аналоговий сигнал (рис. 7).

Практика електрозв'язку робить для себе важливі практичні висновки з відомої теоретичної побудови – теореми Котєльнікова. От один із таких висновків: щоб подати в цифровому вигляді аналоговий сигнал з максимальною частотою F частота вибірки повинна бути 2F. Розглянемо, у що це виливається практично. Ми чуємо звуки із частотою приблизно від 20 Гц до 20 кГц, такий же частотний діапазон у аналогового сигналу, якщо ми захочемо відобразити в ньому все багатство звуку, наприклад, звучання великого симфонічного оркестру. При перетворенні такого аналогового сигналу в цифровий частота вибірки повинна бути як мінімум 40 кГц. При передачі мови по телефонному каналу вимоги можна знизити, верхня гранична частота аналогового сигналу тут може бути не 20, а 3, 5 кГц, і для цього випадку прийнята частота вибірки в АЦП біля 8 кГц. В телебаченні, де аналоговий сигнал, який описує картинку, має максимальну частоту 6 мГц, частота вибірки теж вимірюється мегагерцами.

Рис. 7. Аналого-цифрове перетворення

1 – на рисунку показано графік неперервної функції, графіки неперервних функцій відображають аналогову інформацію; 2 – той же самий графік після перетворення в цифрову форму виражає по-іншому – набагато грубіше; 3 – похибка, яка виникає під час такого перетворення називається похибкою оцифровки; 4 – перетворення можна зробити менш грубим, якщо стовпці діаграми поставити частіше (так зменшується дискретність); 5 – чим менше крок квантування, тим ближче цифрова інформація до аналогової і менша похибка оцифровки.

Тепер про крок квантування, а значить про кількість сходинок, якими в АЦП буде подано аналоговий сигнал, який плавно змінюється. Для точного його відтворення висота сходинки, про що вже йшла мова, повинна бути найменшою, а кількість сходинок – найбільшою. Проте, чим більше сходинок, тим більше імпульсів – пауз знадобиться, щоб кодувати кожну із них окремим шифром. Так, двома імпульсами – паузами, двома знаками 1 і 0, або як прийнято говорити, дворозрядним словом можна кодувати чотири сходинки – їх персональні цифри будуть 00, 01, 10, 11. Трирозрядним словом кодується 8 сходинок – їх шифри 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111, чотирирозрядні слова кодують 16 сходинок, п'ятирозрядні – 32 і так далі. Все це ще грубі сходинки, для точного опису аналогового сигналу вони повинні бути набагато менші. Так, для перетворення в цифру сигналів, які переносять телефонну розмову, розрізняють 256 рівнів аналогового сигналу і для їх кодування використовують восьмирозрядні слова – в них можливі 256 різних комбінацій із 1 і 0. А якщо необхідно з високою якістю отримати цифровий опис музики, використовують дванадцятирозрядний або чотирнадцятирозрядний код, фіксуючи в АЦП відповідно 4096 або 16384 сходинки. В останньому випадку, якщо у аналогового сигналу максимальна напруга 1 Вольт, АЦП помічає і відображає у цифровому коді, її зміну на кожних 0, 00006 Вольта. В системі компакт-диск для отримання високої якості звучання застосовується шістнадцятирозрядне квантування. Це дозволяє отримати 2¹⁶ = 65536 можливих значень сигнала (кроків або рівнів квантування). Але для чого ж аналоговий сигнал перетворювати у цифровий, а після приводити його до попереднього виду? Спочатку коротка відповідь: по-перше, перетворення " аналог" – " цифра" – " аналог" дозволяє позбутися від різного роду перешкод, небезпечного ворога всіх систем електрозв'язку; по-друге, ці перетворення відкривають нові можливості побудови самих аналогових систем.

Тепер більш детально. Перешкода в системі електрозв'язку – це електричний сигнал, той же електричний струм, який змінюється, він з'являється, наприклад, під дією електромагнітного випромінювання блискавки або із-за нерівномірності руху електронів у провіднику. Добре відомий всім такий різновид перешкод, як шипіння платівки, його першопричина – мікроскопічні нерівності звукової канавки. Якщо електричний струм – перешкода де-небудь складається з аналоговим сигналом, то розділити їх вже практично неможливо – почнеш вилучати перешкоду і покалічиш сам сигнал.

Хоч яка зараз досконала радіоелектроніка, а їй невідомі ефективні методи хірургії аналогових сигналів, що дозволяють відділити їх від перешкод (рис. 8).

Інша справа цифрові сигнали. Від імпульсу не вимагається, щоб він був будь-якої суворовизначеної величини, від нього вимагається тільки одне – щоб він був. Тому, якщо на імпульс " накладається" перешкода, то її можна позбутися за допомогою найпростішої схеми – обмежувача (рис. 9). Нині, правда, позбавлення від перешкод, як правило, розв'язується по-іншому – за допомогою електронного блоку розпізнавання. Він навіть досить сильно спотворений імпульс відрізняє від паузи, помітно заповненої шумами.

Рис. 8. Аналоговий спосіб запису і відтворення звуку

(у верхній частині рисунку показано, що не можна розділити аналоговий сигнал і спотворення, яке додалося до нього)

Тепер кілька слів про те, нащо все це потрібне. Цифровий сигнал, так же як і аналоговий, зазнає спотворень – і частотних, і нелінійних, і шумовим нашаруванням. Але для цифрового сигналу вони не страшні, спотворити цифровий сигнал – це значить зовсім забрати будь-який імпульс або ввести імпульс там, де була пауза. Таких катастрофічних спотворень можна запобігти, а більш менші, які змінюють форму імпульсу або порушують чистоту паузи, неважко усунути. Для цього є також уже класичний електронний блок – регенератор цифрового сигналу. Із нього виходять неспотворені, такі ж, як були на самому початку " новенькі" послідовності імпульсів -пауз, із них після ЦАП отримується практично неспотворений аналоговий сигнал, а значить і неспотворений звук. Достатньо сказати, що в системах цифрового грамзапису рівень шумів складає – 80 дБ, тобто вони за потужністю в 100 мільйонів разів слабші основного сигналу і реально взагалі не чутні Слухачі деколи навіть скаржаться па неприродну, мертву тишу, в якій звучить музика з цифрової платівки.

Рис. 9. Цифровий спосіб запису і відтворення звуку

(у верхній частині рисунку показано, що обмеживши за максимумом і мінімумом імпульси, в яких відображено цифровий сигнал, можна очистити його від спотворень)

3. ЛАЗЕРНИЙ СПОСІБ ЗАПИСУ ЗВУКУ

Цифрова лазерна система грамзапису була запропонована спеціалістами голландської фірми " Філіпс" у 1978 році, її основа – пластинка діаметром 12 см, так званий компакт-диск, цифровий код записаний на ньому мікроскопічними (ширина 0, 6 мікрона) поверхнями, що відбивають і які розміщені, як звичайна звукова канавка, за спіраллю.

Зчитування коду відбувається лазерним променем, який сфокусований до мікронної плями.

Наприкінці 1982 року були прийняті міжнародні рекомендації на цифрові диски. Пластинки, згідно з цими рекомендаціями, виготовляються діаметром 120 мм і товщиною 1, 2 мм із прозорого полівінілхлориду. На такому диску повинна розміщуватися годинна стереофонічна програма.

Цифровий запис звуку на диску представляє собою мікрозаглиблення, які йдуть уздовж спіральної канавки з кроком 1, 67 мкм. Називаються вони «піти» – від англійського слова „pit” (в перекладі – виїмка).

Оскільки на оптичних дисках (ОД) інформація зберігається уцифровій формі, технологія запису має свої особливості. Сигнал, що надходить від джерела – аналоговий. Аналогово-цифровий перетворювач переводить його в цифрову (двійкову) форму. При прочитуванні інформації дані розгортаються у зворотному порядку. Об'єктами зберігання на ОД можуть бути: енциклопедичні, науково-технічні, галузеві довідники і словники, нормативно-довідкові бази даних, аудіовізуальні навчальні посібники, набори повчальних та ігрових програм та інші документи.

Рис. 10. Цифрова лазерна система запису звуку

В якості диску-оригіналу для запису первісної фонограми застосовується скляний диск, на поверхню якого нанесена плівка, яка чутлива до лазерного випромінювання. Цифровий звукозапис здійснюється на спеціальних установках сфокусованим променем потужного лазера. В процесі проявлення в експонованих місцях формуються піти відповідної ширини і довжини.

З диску оригіналу звичайними методами гальванотехніки виготовляються нікелеві матриці для пресування цифрових пластинок із полівінілхлориду. Відпресована пластинка покривається алюмінієвою плівкою з великою відбиваючою здатністю, а після наноситься захисний шар. Внаслідок цього цифровий запис звуку ідеально зберігається від зовнішніх впливів. Промінь лазера за допомогою електронної схеми зчитує піти і ніяк не реагує на подряпини та інші пошкодження поверхні пластинки. На рис. 11 схематично показано етапи виготовлення диску-оригіналу і тиражу дисків-копій – компакт-дисків.

Рис. 11. Етапи виготовлення компакт-диску

Питання для контролю та самоконтролю

1. Які способи запису звуку існують?

2. У чому полягає суть магнітного запису звуку на магнітну стрічку, його стирання і відтворення?

3. У чому полягає суть запису і відтворення звуку лазерним способом?

4. У чому полягають особливості цифрового запису і відтворення звуку?