Глава 2. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ

Б. Блессер, Дж. М. Кейтис

2.1. Введение

К задачам звуковой техники относятся запись, хранение, передача и воспроизведение сигналов, воспринимаемых людьми с помощью органов слуха. На практике чаще всего такими сигналами является обычная музыка, хотя к ним следует отнести также пение птиц, электронную музыку, театральные представления, гидроакустические сигналы и т. д. В отличие от задач цифровой обработки речевых сигналов, где основным требованием является разборчивость речи, при цифровой обработке звуков в большинстве случаев должны также учитываться какие-то критерии точности воспроизведения звуков. Подобные критерии неизбежно имеют субъективный характер, так как окончательное заключение о качестве звука составляется на основе восприятия сигналов слушателями. По этой причине в данной главе часто будет идти речь о человеческом восприятии, причем для специалистов по акустике одной из основных проблем является определение технических параметров звуковых сигналов, влияющих на восприятие этих звуков человеком. В силу широкой распространенности и важности устройств для воспроизведения музыки большая часть работ в области цифровых звуковых систем связана с музыкой. Далее в этой главе музыка, преобразованная в цифровой сигнал, будет рассматриваться как представитель широкого класса сигналов, называемых звуковыми сигналами.

С момента своего возникновения звуковая техника находилась на стыке различных отраслей науки и пользовалась достижениями Химии и физики, особенно таких областей, как электроника, магнетизм и акустика. Цифровая обработка сигналов, которая по своей сущности, видимо, более всего тяготеет к математике, является новейшей отраслью науки, вошедшей в «звуковое семейство». Многие специалисты полагают, что это приведет к скачку в качественных характеристиках звуковых систем. Хотя методы цифровой обработки сигналов только начинают применяться в области звуковой техники, уже сейчас видны связанные с этим

потенциальные возможности. К моменту написания книги данная область техники находилась на начальной стадии своего развития; многие из наиболее сложных методов цифровой обработки пока еще не нашли применения в звуковых системах. Можно не сомневаться, что в ближайшем будущем это положение изменится.

Необходимость цифровой обработки звуковых сигналов с первого взгляда не очевидна. Поэтому следует проанализировать хотя бы часть тех трудностей, с которыми связано появление музыки в квартире слушателя. Цепочка технических устройств при прохождении звука от микрофона до акустической колонки оказывается очень длинной. В нее может быть включено до 100 самостоятельных систем, каждая из которых выполняет свою полезную функцию, но вносит при этом искажения. Довольно часто каждый инструмент ансамбля записывается на отдельную дорожку многоканального магнитофона, причем число этих каналов может доходить до 24. Такой процесс дает звукооператору большие возможности: можно, например, при необходимости заново записать партию какого-либо инструмента. Это также помогает исполнителю избавиться от фонового акустического шума. Однако при такой записи звучание становится несколько неестественным и отличается от того, которое слышится при исполнении в концертном зале, поскольку в записи отсутствует реверберация и могут появиться заметные спектральные искажения, зависящие от положения микрофона. Подобные недостатки часто можно устранить путем коррекции сигналов при их смешивании (микшировании). Микшерный пульт дает возможность звукооператору по-разному обрабатывать каждую дорожку первичной записи. К числу наиболее распространенных методов обработки звуковых сигналов относятся введение искусственной реверберации и других специальных эффектов, выравнивание спектров, сжатие динамического диапазона, подавление шумов, ограничение. По своей сложности этот процесс и выполняющие его устройства приближаются к функциям и аппаратуре Центра управления космическими полетами (NASA).

После того как высококвалифицированный звукооператор объединит обработанные первичные сигналы во вторичную стереофоническую или квадрафоническую запись, ее подвергают дополнительной обработке с тем, чтобы сформировать сигнал, пригодный для записи на грампластинку или магнитную ленту. Полученная рабочая лента используется для управления резцом точного рекордера или магнитокопирователем. В последнее время в рекордерах также появились свои собственные сложные системы обработки сигналов, предназначенные для динамического управления резцом и создающие компенсацию и предыскажения в рамках нелинейной обработки, применяемой как при изготовлении, так и при воспроизведении записей. Более того, первичная копия, полученная в рекордере, является лишь результатом первого этапа сложного процесса, в результате которого получается запись,

проигрываемая дома или на студии. Столь же длинный путь звук проходит и на радиовещании. Акустическая система в доме слушателя и громкоговорители образуют важное последнее звено звуковоспроизводящей цепи. Таким образом, процесс звуковоспроизведения можно представить в виде трех основных этапов:

1. Создание и запись первоначальных сигналов.

2. Хранение и передача этих сигналов.

3. Воспроизведение сигналов в форме акустических волн.

Может показаться, что некоторые сложные элементы процесса звуковоспроизведения являются необязательными, однако оказывается, что каждый этап процесса важен, причем часто как средство исправления технических погрешностей, вносимых на другом этапе процесса. Например, сжатие сигнала на этапе первоначальной записи необходимо потому, что запоминающие устройства хранения имеют ограниченный динамический диапазон.

Многие разработки в области цифровой звукотехники имеют целью замену слабых элементов цепи звукозаписи или звукопередачи. Примерами могут служить цифровые магнитофоны и цифровые системы передачи звуковых сигналов. Несложные по идее, эти системы оказываются сложными в реализации. Одйайо их создание привело к резкому улучшению качества воспроизведения звуков. Управление микшерным пультом также было переведено, на цифровую технику, чтобы освободить звукооператора от трудной обязанности фактического регулирования сотен параметров в реальном масштабе времени. На смену механическим реверберационным устройствам пришли цифровые электронный ревербераторы. Созданы синтезаторы, позволяющие из пары стереофонических сигналов в домашних условиях создавать определенные акустические поля, характерные для больших залов.

В лабораториях нашли применение более совершенные методы для восстановления старых звукозаписей. В настоящее время имеются восстановленные записи выступлений Карузо, сделанных в начале века, причем после исправлений записи крайне низкого качества стали звучать гораздо лучше. Цифровая обработка применяется также в исследованиях, направленных на усовершенствование электроакустических преобразователей. В звуковоспроизводящей цепи громкоговоритель является одним из самых слабых и наименее исследованных звеньев. Он влияет на амплитудные, фазовые и пространственные характеристики получаемого звукового сигнала, а также обусловливает различного вида искажения сигналов. Цифровая обработка сигналов применяется для экспериментального определения физических характеристик акустических преобразователей, а также для оценки влияния этих характеристик на восприятие звука.

Во всех подобных системах имеются общие блоки —аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (АЦП и ЦАП). Висилу своего фундаментального характера вопрос об этих

преобразователях будет рассмотрен здесь самостоятельно. Любые искажения, вносимые на данном этапе обработки сигнала, могут существенно обесценить достоинства цифровой обработки. Характеристики преобразователей необходимо согласовывать с особенностями восприятия звуковых сигналов по ряду причин.

1, Чрезмерно большая разрядность при квантовании отсчетов в АЦП достигается за счет больших экономических затрат, а из-за большой скорости поступления информации на последующих этапах может потребоваться слишком большое быстродействие.

2. Искажения, определяемые приборами, не всегда замечаются на слух.

Вопрос усложняется также конструктивными проблемами, которые могут существенно повлиять на качество работы системы. Поэтому существуют различные способы преобразования и выбор определяется назначением всей системы.

Инженер должен знать соотношение между физическими и электрическими характеристиками системы и кажущимся качеством звука. Классическое определение отношения сигнал/шум, например» основано на вычислении отношения максимальной мощности сигнала к мощности шума, измеренной в отсутствие сигнала. Однако восприятие шума зависит от степени его спектрального сходства или различия с сигналом, от вида распределения вероятностей и характера изменения шума во времени. Так, два различных шумовых процесса, отличающиеся по мощности на 20 дБ, могут создавать помехи, на слух воспринимаемые как одинаковые.

Подобные примеры указывают, что теория звуковых систем в большей мере должна опираться на психоакустические исследования, чем на теорию систем. Теория систем рассматривает пути решения задачи, а психоакустика в данном случае описывает характер желаемого результата. Так, в вышеупомянутом примере цель состоит в том, чтобы сделать шум неслышным, хотя полностью подавлять его не обязательно. Экономические последствия неправильного выбора конечной цели могут оказаться очень печальными. Как правило, шумы 16-разрядного АЦП не воспринимаются ухом и не замечаются приборами, однако стоит этот преобразователь раз в 100 больше, чем 12-разрядный АЦП. Поэтому звуковая техника должна строиться с учетом особенностей и аппаратуры, и слуховой системы человека с тем, чтобы в итоге оптимизировать субъективные оценки качества звуковоспроизведения.