Аналого-цифровое преобразование звуковых и видеосигналов

АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ И ВИДЕОСИГНАЛОВ

Введение

Среди методов цифрового представления ЗС наиболее известна импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Процедура преобразования аналогового сигнала в цифровой состоит из трех операций: дискретизации по времени, квантовании полученной совокупности отсчетов и замене квантованных значений сигнала последовательностью чисел (кодировании).

1. Дискретизация

Значение частоты дискретизации ограничивает разрешающую способность аналого-цифрового преобразования во времени и, следовательно, наивысшую возможную частоту на входе АЦП. Наглядной иллюстрацией этого служит рис. 1. Процедура дискретизации с одной и той же частотой f д представлена на рисунке одновременно для двух тональных сигналов низкой (F1 – сплошная линия) и высокой (F2 – штриховая линия) частот. В обоих случаях после дискретизации имеем идентичные временные последовательности значений отсчетов. Следовательно, сигналы этих двух частот F1 и F2 нельзя различить и после обратного преобразования правильно восстановить (реконструировать).

Рис. 1 Устройство, осуществляющее ИКМ (а), временная диаграмма процесса ИКМ (б), спектр дискретизированного сигнала (в)

В соответствии с теоремой отсчетов В.А. Котельникова неискаженная передача непрерывного (аналогового) сигнала с полосой частот 0…Fтах дискретной последовательностью его отсчетов возможна только в том случае, если частота f д связана с максимальной частотой Fmах исходного сигнала соотношением f д 2 Fтах .

Итак, если требуется передать синусоидальное колебание с частотой 20 кГц, то требуемая частота его дискретизации должна быть более 40 кГц, лишь в этом случае возможно точное восстановление непрерывного сигнала.

Рис. 2

Все сигналы, частота которых F >f д/2, при восстановлении интерпретируются неправильно и трансформируются в сигналы более низкой частоты.

Дискретизированный сигнал можно представить в следующих двух формах записи:

где s(t) – исходный аналоговый сигнал; Dt – интервал (период, шаг) дискретизации, причем Тд = D t = const; п = 0, 1, 2,…; d(t) – функция Дирака; d(т) – функция отсчетов, dп – моменты появления отсчетов ЗС.

При передаче ЗС или его обработке шаг дискретизации Тд не обязан быть одним и тем же в разных трактах канала или на разных стадиях обработки.

Рассмотрим теперь условия выбора частоты f д. Из рис. 2 следует, что чем больше f д по сравнению с Fтах, тем дальше в спектре дискретизированного сигнала разнесены частоты Fтах иf д и тем легче в ИКМ-демодуляторе отфильтровать полезный сигнал. В то же время скорость цифрового потока при ИКМ прямо пропорциональна значению f д. С точки зрения повышения эффективности канала связи при передаче сигналов 3В желательно насколько это возможно снизить f д. Однако выбор слишком низкого значения может привести к уменьшению допустимого значения Fтах и, как следствие, к ухудшению качества передачи. Поэтому значение f д выбирают исходя из компромисса между требуемым качеством звуковоспроизведения и допустимой скоростью цифрового потока. Влияют на выбор f д и системные факторы. Поскольку в системах связи сигналы 3В кодируются и передаются совместно с другими, например с телефонными сигналами, то частота дискретизации ЗС должна быть кратна частоте дискретизации телефонного сигнала. В противном случае в общей структуре цифрового потока системы связи невозможно обеспечить передачу более широкополосных сигналов 3В вместо нескольких телефонных. С учетом этих соображений при АЦП сигналов 3В в цифровых трактах первичного и вторичного распределений программ для ЗС с Fmах = 15 кГц принято значение f д = 32 кГц. что соответствует учетверенному значению f д для сигнала в телефонном канале.

В системах телевидения при передаче цифровых сигналов звукового сопровождения во избежание биений между гармониками строчной частоты и частоты дискретизации значение f д выбирается кратной частоте строчной развертки. В трактах формирования программ при Fmax = 20 кГц принято значение f д = 48 кГц, в лазерных проигрывателях и бытовых магнитофонах f д = 44,1 кГц.

Борьба с погрешностями цифрового преобразования из-за возможной нестабильности частоты дискретизации сводится к ограничению полосы частот ЗС фильтрами с полосой пропускания от 0 до Fmax на входе АЦП и выходе ЦАП и к выполнению требования теоремы В.А. Котельникова. Предъявляются жесткие требования к крутизне спада частотных характеристик ФНЧ за пределами полосы пропускания и стабильности частоты тактовых генераторов. Выполнение этих требований сегодня не вызывает трудностей.

2. Квантование

При квантовании непрерывному множеству мгновенных значений отсчетов аналогового сигнала ставят в соответствие конечное множество значений – уровней квантования. Иначе говоря, каждое значение отсчета заменяется ближайшим к нему разрешенным значением.

Расстояние между соседними разрешенными уровнями квантования называют шагом квантования. Процедуру квантования можно рассматривать как результат прохождения входного сигнала через устройство с амплитудной характеристикой ступенчатой формы (рис.), которая называется характ