Сложности, связанные с оцифровкой

Не смотря на кажущуюся простоту и интуитивность процесса оцифровки, эта процедура сопряжена со многими трудностями и проблемами.

Во-первых, частота дискретизации, устанавливаемая теоремой Котельникова, является минимально необходимой, но не достаточной. Дискретизация вносит дополнительные помехи в спектр исходного сигнала, добавляя в него его же зеркальную копию. Поэтому значение частоты дискретизации должно выбираться несколько большим, чем частота, устанавливаемая теоремой Котельникова, чтобы сделать возможной успешную фильтрацию лишних спектральных составляющих.

Во-вторых, квантование значений сигнала привносит в спектр сигнала дополнительную помеху, называемую шумом квантования или шумом дробления . Шумом (ошибкой) квантования называют сигнал, составляющий разницу между восстановленным цифровым и исходным аудио сигналами. Эта разница образуется в результате округления измеренных значений сигнала. При этом выполняется следующая закономерность: чем выше разрядность квантования, тем ниже уровень шума квантования (поскольку тем на меньшее значение требуется округлять каждое измеренное значение сигнала). Природа шума квантования такова, что ширина спектральной области, в которой он простирается, пропорциональна значению частоты дискретизации. При этом при фиксированной разрядности квантования, общая энергия шума квантования остается постоянной. А это значит, что чем выше частота дискретизации, тем в более широкой спектральной области простирается шум квантования и, соответственно, тем ниже его мощность в некоторой фиксированной интересующей нас полосе спектра, например, в полосе слышимых частот. Этот факт имеет большое практическое значение.

Надо сказать, что уровень шума квантования также зависит и от формы самого сигнала. В идеальном случае, ошибка при округлении значений сигнала является случайной и, значит, спектр шума квантования оказывается равномерным. В реальности, однако, этого не происходит. Форма реальных звуковых сигналов является в определенной степени не случайной, а, значит, и ошибка квантования тоже является не случайной. В этом случае спектр шума квантования оказывается не равномерным и концентрируется в какой-то определенной области, что отрицательно сказывается на звучании цифрового сигнала. Существует несколько способов борьбы с этим явлением. Так, нежелательную концентрацию шума квантования в некоторой частотной области можно нейтрализовать путем подмешивания к исходному аналоговому сигналу некоторого слабого по мощности псевдослучайного шума. Этот шум минимизирует степень зависимости ошибок округления от формы преобразуемого сигнала, что хорошо рассеивает спектр шума квантования и делает его равномерным. Таким образом, описанный прием (называемый дизерингом, от англ. « dithering» – «дрожание») как бы подменяет нежелательный шум квантования искусственно подмешанным псевдослучайным шумом. При этом подмешанный псевдослучайный шум оказывается менее заметным на слух, чем тот шум квантования, какой получился бы без применения дизеринга. Еще один прием борьбы с уровнем шума квантования называется формовкой шума (от англ. “ noise shaping”). Идея приема заключается в преднамеренном изменении формы исходного аналогового сигнала специальным образом, чтобы последующее квантование привело к появлению шума квантования, основная энергия которого расположилась бы в наименее заметных на слух частотных областях. Формирование шума с таким спектром достигают путем использования фильтра, моделирующего кривую равной громкости (об этой кривой мы говорили выше).

Импульсный сигнал, получаемый в результате аналогово-цифрового преобразования, из-за несовершенности преобразующих устройств имеет некоторые изъяны. Эти изъяны выражаются в случайных отклонениях длительностей прямоугольных импульсов от номинальной величины шага дискретизации, а также в неабсолютной крутизне фронтов импульсов. Говоря иначе, осуществление выборки сигнала при оцифровке происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с некоторыми случайными отклонениями от номинала, при этом результирующий импульсный сигнал вдобавок имеет неидеальную прямоугольную форму. Если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 кГц, то отсчеты берутся не точно каждые секунды, а то чуть раньше, то чуть позднее. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая погрешность приводит к регистрации не совсем верного уровня сигнала. Описанный неприятный эффект называется джиттером (от англ. « jitter» – «дрожание») и по сути является исключительно результатом неабсолютной стабильности аппаратуры (АЦП). На слух джиттер воспринимается как некоторое дрожание сигнала на высоких частотах, при этом на низких частотах джиттер выражается в некотором «размазывании» спектра сигнала. Для борьбы с джиттером применяют высокостабильные тактовые генераторы. Следует заметить, что причиной появления джиттера может быть не только аналогово-цифровое преобразование, но и передача импульсного сигнала по цифровому каналу от одного устройства к другому. В этом случае появление джиттера является результатом неидеальной коммутации/синхронизации устройств и может быть устранено только путем использования аппаратуры, регенерирующей цифровой сигнал.

Рассмотрим, наконец, еще один неприятный эффект оцифровки, называемый гранулярным шумом. Гранулярным шумом(от англ. « granular noise») называют эффект нестабильности округления в процессе квантования. Если величина сигнала незначительно меняется около некоторой величины, являющейся границей между двумя соседними уровнями квантования, даже самые маленькие колебания величины сигнала вокруг этой границы могут вызывать заметные изменения результатов округления при квантовании значений амплитуды. Это связано с тем, что квантователь в этом случае округляет измеренное значение сигнала то до величины одного, то до величины второго из соседствующих уровней квантования.