2.4. Передача программ с помощью радиовещания и других средств

После завершения обработки сигнала и составления окончательной записи музыку нужно доставить к слушателю с помощью какого-либо физического носителя, такого, например, как грампластинка, магнитофонная лента или радиоволна. Хотя радиовещание можно рассматривать как дополнительное звено в цепочке от исполнителя к слушателю, оно стало одним из наиболее важных и самых массовых средств доставки звуковых сигналов в наш дом. Возможное при этом снижение качества компенсируется широким выбором музыкальных программ в хранилищах радиовещательных компаний. Обычная радиостанция, специализирующаяся на передаче музыки, может хранить многие тысячи грампластинок и неимоверное количество магнитофонных записей. Более того, высокоэффективные сети связи позволяют передавать на радиостудию звуковую программу из мест, расположенных очень далеко от студии радиостанции.

Радиовещательные системы Соединенного Королевства и европейских стран вполне обоснованно являются предметом национальной гордости. В Соединенном Королевстве корпорация Би-би-си является квазинезависимой государственной организацией, в обязанности которой входит передача нескольких ежедневных

программ по всей Англии, Уэльсу, Шотландии и Северной Ирландии. Считается, что эти программы слушают практически в каждой квартире. Владельцы радиоприемников ежегодно вносят определенную плату. Вплоть до недавнего времени программы поступали на местные ретранслирующие радиопередатчики с помощью стандартных средств, применяемых для передачи телефонных сигналов: кабельных линий, модулированных несущих, СВЧ и т. д. Качество сигнала на больших дальностях от студий иногда было довольно низким. Даже просто с позиций технического престижа желательно иметь высококачественные передачи. В свою очередь слушателям не хотелось бы отдавать свои деньги за низкокачественные передачи.

Несколько лет назад в Великобритании были начаты большие исследования с целью изучения возможности перевода линий рассылки радиовещательных программ на цифровую технику [36]. Из-за отсутствия необходимых широкополосных радиовещательных линий вначале предполагалось кодировать звуковое сопровождение телевизионных передач в цифровую форму и передавать его вместе с телевизионными синхроимпульсами [44]. Такая система была создана. Однако в настоящее время британское министерство связи, контролирующее связь и радиовещание, внедрило цифровые линии связи с пропускной способностью что позволило передавать звуковые программы в цифровом виде. В результате отношение сигнал/шум в радиовещательных системах отдаленных районов страны было повышено с 40 до 60 и более децибел во всей полосе частот. Многие радиовещательные компании Европы оборудуют сейчас свои передающие станции цифровыми системами со стандартизованным форматом.

Количество вещательных программ, которые можно передавать в цифровой форме по линиям британского министерства связи с применением уплотнения каналов определяется только скоростью получения информации из АЦП. Эта скорость равна произведению разрядности чисел (определяющей динамический диапазон) на частоту дискретизации (определяющую ширину полосы частот сигнала). При использовании описанных выше АЦП информация в каждом звуковом канале создается со скоростью . В таких условиях по каждой цифровой линии связи с применением метода уплотнения можно передать только четыре монофонические или две стереофонические программы. Поэтому примерно в 1970 г. были развернуты дальнейшие исследования по развитию методов сжатия полосы сигнала с тем, чтобы построить системы сжатия, позволяющие снизить скорость информации без внесения в программу воспринимаемых на слух искажений.

2.4.1. Сжатие объема звуковой информации

Первые эксперименты по сжатию объема звуковой информации проводились в исследовательских лабораториях Би-би-си с целью

определения требуемого динамического диапазона аналого-цифровых преобразователей. Методом массового прослушивания было установлено, что для фортепьянной музыки необходим динамический диапазон АЦП в 84 дБ (14 разрядов). В этом случае 90% слушателей не замечают шума дробления [37]. Позднее к тем же выводам независимо пришли исследователи в ФРГ [40].

Однако шум дробления можно сделать незаметным для слуха, если к полезному сигналу перед квантованием прибавить белый шум, уровень которого вдвое превышает уровень шума дробления. Было также замечено, что этот дополнительный шум можно без вреда уменьшить на 6 дБ, если добавить еще меандр с частотой, равной половине частоты дискретизации. Такие добавки увеличивают уровень шума всего лишь на 2 дБ по сравнению с шумом дробления. Эти результаты наводят на мысль, что если к полезному сигналу добавлен «раскачивающий» сигнал, то динамический диапазон 78 дБ (13 разрядов) будет более чем достаточен. Следует заметить, что подобный ограниченный динамический диапазон был признан удовлетворительным в основном потому, что на радиостанциях в качестве источника музыки для передачи обычно используются записи, в частности магнитофонные, динамический диапазон которых не превышает 75 дБ [79]. Поэтому пет необходимости в том, чтобы качество системы передачи было намного лучше, чем качество передаваемого материала.

Сама по себе величина отношения (т. е. ширина динамического диапазона) не является решающим фактором, определяющим допустимый уровень шума в присутствии сигнала. Сжатие объема информации может быть достигнуто только за счет увеличения уровня шума в те моменты, когда в тракте присутствует сигнал. Одной из таких систем является компандер. Перед аналого-цифровым преобразованием осуществляется преобразование, сжимающее динамический диапазон сигнала, а после восстановления аналогового сигнала выполняется обратное преобразование, расширяющее динамический диапазон. Степень сжатия сигнала непосредственно определяется уровнем сигнала, а также законом возрастания ошибки квантования.

В соответствии с данным методом, давно применяемым к речевым сигналам [45, 46], перед АЦП включается блок с определенной нелинейностью амплитудной характеристики и соответствующая нелинейность вводится после ЦАП. Обычно эти нелинейности являются линейно-логарифмическими, как, например, -характеристика:

где — значение входного сигнала, — значение сигнала после нелинейного преобразования, поступающее на вход АЦП, а

коэффициент определяет степень сжатия. С ростом отношение остается постоянным во все более широком диапазоне значений полезного сигнала, но его величина при этом уменьшается. Нелинейность является логарифмической при больших значениях сигнала и линейной — при малых. Коэффициент определяет уровень, при котором происходит переход от лииейного участка к логарифмическому.

Аналогичная система, предназначенная для передачи музыки, исследовалась специалистами министерства почт ФРГ [40]. Характеристика сжатия имела несколько иной вид (так называемая Д-характеристика); она описывается соотношениями

где параметр сжатия А выбран равным 87,7. В данном примере выигрыш за счет сжатия составлял 24 дБ и был равен разнице между коэффициентами усиления при сильных и слабых сигналах. Это позволило обойтись -разрядными числами в системе, где динамический диапазон должен обеспечиваться -разрядными числами; однако отношение составляло всего 50 дБ при изменении сигнала от максимума до дБ и линейно убывало, когда уровень сигнала становился меньше —24 дБ. Такие характеристики являются предельно допустимыми для высококачественных передач. В психоакустических экспериментах было выяснено, что при высоком уровне громкости короткие ноты с частотой от 500 Гц до 5 кГц плохо маскируют шум и требуется отношение превышающее 50 дБ [10]. С другой стороны, низкие тона органа и некоторые ноты других инструментов (например, английского рожка) также плохо маскируют шум, и здесь тоже необходимы высокие значения отношения Низкие тона органа создают особую проблему, поскольку при большой собственной мощности они слабо воспринимаются ухом, а шум квантования является широкополосным и его среднечастотные составляющие плохо заглушаются органом.

Чтобы решить эти проблемы, перед сжатием и после расширения динамического диапазона звуковых сигналов проводят фильтрацию, искажающую, а затем восстанавливающую сигнал. По европейскому стандарту (CCITT) уровень сигнала требуется понижать на 13 дБ на частотах ниже 2 кГц и повышать на 4 дБ на частотах выше На выходе цифро-аналогового преобразователя включается обратный фильтр. Это удобно по двум причинам. Во-первых, ослабляются мощные низкочастотные составляющие музыки, так что система, состоящая из блока сжатия и

АЦП, не работает в режиме больших сигналов, когда величина ошибки квантования максимальна, т. е. таким образом уменьшается уровень шума квантования. Во-вторых, ослабление высокочастотных компонент выходного сигнала понижает уровень шума, возникающего в АЦП. Однако уровень сигнала приходится несколько понижать, чтобы не допустить перегрузки АЦП. Такие фильтры повышают с 50 до 58 дБ.

Компандеры получили широкое распространение в звукотехии-ке лишь в последнее время. Дело в том, что нелинейность их характеристик приводила к ошибкам различного вида, увеличивающим уровень шума. Некоторые цепи были склонны к самовозбуждению и трудно настраивались. Амплитудную характеристику компандера можно, однако, реализовать в цифровом виде с помощью кусочно-линейной аппроксимации требуемой характеристики. На рис. 2.19 показано, каким образом стандартный -разряд-ный АЦП может выполнять квантование с учетом вида амплитудной характеристики компандера. Здесь, как и при использовании метода поразрядного взвешивания, квантование сигнала производится в несколько этапов путем сравнения отсчета со скачкообразно изменяемым опорным напряжением. Однако величина приращения опорного напряжения зависит не только от номера (старшинства) проверяемого разряда, но и от значений предыдущих разрядов и соответствует фиксированному шагу (зависящему только от старшинства разряда) вдоль оси аргументов кусочно-линейной характеристики.

Специалисты из исследовательских лабораторий Би-би-си, изучавшие ту же проблему [42], пришли к другому решению, отличающемуся от предложенного инженерами министерства почт ФРГ. После многочисленных прослушиваний, проведенных с привлечением

Рис. 2.19а. Аналого-цифровой преобразователь с кодированием методом поразрядного взвешивания, в котором реализуется нелинейная характеристика схемы сжатия. Стандартная логическая схема поразрядного взвешивания управляет схемой нелинейного преобразования, так что уровни, подаваемые на схему сравнения, соответствуют заданной нелинейной характеристике. Выходной сигнал связан с входным нелинейной зависимостью.

(кликните для просмотра скана)

широкого круга слушателей и с использованием самой разной музыки, был выбран метод сжатия на основе преобразозания с плавающей запятой, называемый также послоговым сжатием. Выходной сигнал -разрядного АЦП был представлен в виде чисел с плавающей запятой, имеющих -разрядную мантиссу и -разрядный порядок. Четыре значения порядка позволяют учитывать изменение коэффициента усиления от 0 до 18 дБ, т. е. динамический диапазон можно довести до 78 дБ. При -разрядной мантиссе удается получить постоянное отношение равное (в среднем) 57 дБ, если уровень сигнала изменяется от максимума до —24 дБ. Частотное предыскажение и восстановление сигнала, согласно европейскому стандарту (CCITT), позволяют поднять примерно до 65 дБ.

В данной системе было принято представление чисел в форме с поблочно плавающей запятой [41], поэтому -разрядный порядок сопровождает не каждую -разрядную мантиссу. Последовательность чисел, поступающих из -разрядного АЦП, записывается в буферный накопитель. Емкость накопителя достаточна для записи сигнала длительностью Все числа в накопителе масштабируются так, чтобы наибольшее из чисел не вызывало переполнения. После этого два разряда, определяющие порядок чисел в блоке, передаются со сравнительно низкой частотой, а -разрядные мантиссы — с частотой дискретизации. Таким образом, средняя разрядность чисел понижается до 10,125 двоичных знаков.

Многочисленные контрольные прослушивания показали, что музыку, кодированную таким способом, невозможно отличить от исходной. Однако слушатели считают, что музыка, прошедшая через систему сжатия с -разрядной мантиссой, а также через немецкую систему с мгновенным сжатием, ухудшается по сравнению с исходной [11].

Сжатие музыкальных сигналов в системе с поблочно плавающей запятой не создает слышимого шума, поскольку изменение уровня шума следует за изменением уровня сигнала с постоянной времени Это на несколько порядков быстрее отклика человеческой слуховой системы, и получающаяся задержка вполне допустима. Скорости создания информации в системе мгновенного сжатия с Л-характеристикой и в системе сжатия с поблочно плавающей запятой одинаковы, но вторая система дает более высокое качество звука, поскольку отношение в ней больше на 6 дБ, что крайне важно. Строго говоря, это преимущество создается не структурой системы, а особенностями статистики музыкального сигнала. В системе сжатия с поблочно плавающей запятой предполагается, что на коротких интервалах музыка имеет невысокое отношение максимального значения к среднему (пик-фактор). Это среднее выражается в отсчетах порядка и передается с низкой скоростью. Система с мгновенным сжатием, напротив,

может отследить скачки в любом отсчете, не влияя на соседние отсчеты. Такая система окажется лучше, если музыкальные сигналы имеют очень узкие и высокие пики, поскольку ошибки квантования будут малыми для большей части сигналов и увеличиваются только в моменты появления узких пиков. В системе с плавающей запятой ошибка квантования минимизируется на основе наибольшего пика, появившегося в течение интервала в В принципе это хуже, чем мгновенное сжатие. Но так как большая часть музыки образуется с помощью акустических или механических колебаний и хотя бы частично сопровождается реверберацией, то предположение о малости пик-фактора музыки оказывается приемлемым. Однако если в качестве источника сигнала взять электромузыкальные инструменты, то лучше использовать другую систему, так как электронная музыка может иметь более некоррелированный характер. Из этого примера видно, что неявные предположения об особенностях источника сигнала могут привести к значительным трудностям. Поэтому более надежный подход состоит в согласовании характеристик преобразователя со свойствами человеческого слуха, поскольку к последним следует подстраивать характеристики сигнала.