Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku

Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku
Zapis analogowy
Co oznacza termin "technika analogowa"? Mówiąc najprościej, obróbkę sygnałów w ich
podstawowej niezmienionej (naturalnej), ciągłej postaci, czyli w ich naturalnym widmie
częstotliwościowym. Ciągła postać oznacza w praktyce, Ŝe jeśli zakres zmienności sygnału
wynosi od 0 do 1, to jego wartość (amplituda) moŜe w dowolnej chwili przyjąć dowolną
wartość z tego przedziału i jest określona w całym okresie trwania sygnału.
Dokładność określenia chwilowej wartości sygnału jest ograniczona w zasadzie jedynie
dokładnością stosowanych przyrządów pomiarowych i warunkami pomiaru.
Zapis analogowy oznacza, Ŝe sygnał jest rejestrowany na nośniku właśnie w naturalnej,
ciągłej postaci. Jedyny zabieg, jakiemu sygnał jest poddany, do ewentualnie modulacja,
umoŜliwiająca trwały zapis.
Klasyczny przypadek zapisu w technice analogowej to np.: zapis dźwięku na taśmie
magnetofonowej Compact Casette, lub obrazu na taśmie magnetowidu VHS.
Taśma magnetyczna przesuwa się przed głowicą zapisującą. Głowica wytwarza zmienne
pole magnetyczne, dokładnie odwzorowujące przebieg zapisywanego sygnału. Dzięki
oddziaływaniu pola na taśmę, sygnał analogowy zostaje w niej odwzorowany w postaci
tzw. pozostałości magnetycznej, czyli lokalnych zmian namagnesowania nośnika.
Zarejestrowany w ten sposób sygnał ma przebieg dokładnie odzwierciedlający przebieg
źródła, jednak jest obciąŜony powaŜnymi problemami jakościowymi:
•
•
wszelkie szumy, przydźwięki i zakłócenia, jakie powstają w układach
elektronicznych toru zapisu oraz w połączeniach kablowych sumują się z sygnałem
uŜytecznym, zniekształcając jego przebieg i obniŜając jakość późniejszego
odtwarzania
wraz z kolejnymi cyklami odczytu, wskutek bezpośredniego kontaktu głowicy z
nośnikiem, stopniowemu zniszczeniu ulega warstwa ferromagnetyczna
przechowująca pozostałość magnetyczną, a tym samym spada wierność nagrania,
zanikają jego szczegóły
Technikę analogową moŜna podsumować następująco:
• olbrzymią zaletą (niemoŜliwą do uzyskania w technikach cyfrowych) jest ciągłe
odwzorowanie sygnału, przetwarzanie go w naturalnej postaci
• zasadniczą wadą jest trudność w eliminacji zakłóceń i szumów, której skutkiem jest
słaba dynamika sygnału oraz niska wartość stosunku sygnał/szum.
UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku. 1
Zapis cyfrowy
W technice cyfrowej sygnał przetwarzany jest z postaci naturalnej, ciągłej, do reprezentacji
numerycznej, czyli ciągu dyskretnych wartości liczbowych.
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C) składa się z trzech podstawowych procesów:
• Próbkowania
• Kwantyzacji
• Kodowania.
Próbkowanie
Polega na określeniu wartości sygnału ciągłego w określonych odstępach czasu. "Chwile
próbkowania" są określone przez częstotliwość próbkowania, jeden z podstawowych
parametrów przetwarzania A/C – Rys. 1.
Rys. 1 Próbkowanie
Wskutek tego procesu, zamiast przebiegu ciągłego (analogowego), określonego w całym
przedziale czasowym, uzyskujemy zbiór dyskretnych wartości, które moŜna przedstawić
jako tzw. przebieg schodkowy, poniewaŜ w okresach czasu dzielących pobranie kolejnych
próbek jego wartość jest stała. Oczywiste jest, Ŝe w miarę wzrostu częstotliwości
próbkowania, wynikowy przebieg schodkowy coraz wierniej przybliŜa kształt przebiegu
analogowego. Zgodnie z teorią przetwarzania sygnałów, minimalna częstotliwość
próbkowania musi być dwukrotnie wyŜsza od granicznej częstotliwości przetwarzanego
sygnału.
Kwantyzacja
W tym kroku, wartości sygnału uzyskane drogą próbkowania (naleŜące nadal do całego
zakresu zmienności sygnału) zostają "zaokrąglane" w taki sposób, by moŜna je było
przedstawić przy pomocy skończonej liczby wartości, wynikającej z tzw. rozdzielczości
przetwarzania. Mówiąc w duŜym uproszczeniu, np.: wartości z przedziału 0-0,1 zostają
określone jako 0,1, 0,1 -0,2 jako 0,2 itd. – rys. 2.
UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku. 2
Rys. 2. Kwantyzacja
Na tym etapie powstaje tzw. błąd kwantyzacji, wynikający z tego, Ŝe reprezentując ciągły
zakres zmienności sygnału przy pomocy kilku wartości dyskretnych, tracimy bezpowrotnie
informację o małych zmianach w obrębie przedziałów pomiędzy sąsiednimi wartościami.
Błąd ten jest tym większy im mniejsza jest liczba przedziałów kwantyzacji (mniejsza
rozdzielczość).
Kodowanie
Na tym etapie liczbowe kody dyskretnych wartości, do jakich został sprowadzony sygnał
źródłowy, zostają zapisane w postaci liczbowej, czyli w przypadku binarnej techniki
cyfrowej, w formie liczb zapisanych w systemie dwójkowym, ciągu zer i jedynek. – Rys. 3.
Rys. 3 Kodowanie
(Przetwarzanie cyfrowo-analogowe, z którym mamy do czynienia przy odtwarzaniu
sygnału, polega, mówiąc w skrócie, na przetworzeniu ciągu liczb na przebieg schodkowy, a
następnie na filtracji wygładzającej tak, by przybliŜał początkowy sygnał analogowy.)
Uzyskany w ten sposób sygnał cyfrowy jest zapisywany na nośniku. Zamiast sygnału
analogowego, urządzenia rejestrują ciąg 0 i 1. Zamiast nieskończonej liczby amplitud
sygnału analogowego, uzyskujemy dwie dyskretne wartości. – Rys. 4.
Rys. 4 Zapisywanie
Dzięki temu, Ŝe zapisujemy, a następnie odczytujemy jedynie dwa stany logiczne (1/0,
wysoki/niski, H/L, prawda/fałsz), moŜliwe jest skuteczne zabezpieczenie się przed
wpływem zakłóceń i zniekształceń. Jeśli przyjmiemy, Ŝe np.: 0 logiczne zapisujemy jako
UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku. 3
amplitudę -0,5V, a 1 jako +0,5V, łatwo moŜemy sobie wyobrazić, iŜ szumy i zakłócenia,
nawet na poziomie 0,1V (czyli 10%) nie wpłyną na prawidłowość dekodowania tak
znacznie odbiegających od siebie poziomów. Podobnie, zuŜycie lub częściowe
rozmagnesowanie taśmy, na której sygnał został zapisany, sprawi, Ŝe zamiast +/-0,5V
zostaną odczytane poziomy +/-0,3V, ale nadal prawidłowo będzie zdekodowany ciąg 0 i 1,
czyli prawidłowa postać sygnału.
W celu dalszej eliminacji zakłóceń, w zapisie cyfrowym są stosowane przeróŜne
mechanizmy zabezpieczeń, takie jak suma kontrolna, przeplot, kodowanie blokowe i
kanałowe, umoŜliwiające nawet rekonstrukcję zniekształconych danych.
Problemy zapisu cyfrowego
Zapis cyfrowy wiąŜe się równieŜ z pewnymi problemami:
•
bardzo waŜna jest prawidłowa synchronizacja zapisu, a następnie odtworzenie
przebiegu synchronizującego w trakcie odczytu, będące zasadniczym warunkiem
prawidłowego przetworzenia C/A
•
w procesie kwantyzacji tracimy część szczegółów przebiegu sygnału (tzw. błąd
kwantyzacji), sygnał analogowy uzyskany następnie w wyniku przetwarzania C/A
odbiega więc od pierwotnego sygnału analogowego.
Istnieją sprawdzone metody minimalizacji wymienionych powyŜej niekorzystnych efektów
przetwarzania sygnałów analogowych do postaci cyfrowej.
Aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie cyfrowe sygnału analogowego, moŜna
zwiększyć częstotliwość próbkowania - uzyskany w ten sposób przebieg schodkowy będzie
bardziej zagęszczony.
Podobnie, aby zmniejszyć błąd kwantyzacji ( "zaokrąglania" wartości poszczególnych
schodków), czyli zwiększyć odstęp Sygnał/Szum, moŜna zwiększyć rozdzielczość
przetwarzania, czyli liczbę bitów, przy pomocy których kodujemy wartość sygnału.
Obydwie metody prowadzą jednak do radykalnego zwiększenia ilości danych powstających
w wyniku przetwarzania.
Określenie optymalnych parametrów przetwarzania wymaga dokładnej analizy, stosuje się
róŜne kroki pośrednie, m. in. nadpróbkowanie (oversampling), często połączone ze
zmniejszaniem rozdzielczości przetwarzania, decymację, czyli selekcję wybranych próbek
sygnału.
Dokładniejszy opis tych procesów moŜna odnaleźć w literaturze fachowej z zakresu
przetwarzania sygnałów.
Kolejnym zagadnieniem związanym z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów analogowych
jest kompresja cyfrowych danych uzyskanych w wyniku przetwarzania. Ogromne ilości
danych (rzędu setek GB) moŜna wydajnie, przy zastosowaniu wyszukanych algorytmów,
skompresować - tak, by było moŜliwe zapisanie materiału cyfrowego na dostępnych
nośnikach.
UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku. 4