Дискретизация и квантование.

Аналоговая информация (речь, музыка и т.п.) записывается на компакт-диск не непосредственно, а после сложной обработки. Вначале непрерывный сигнал переводится в цифровую форму, то есть происходит аналого-цифровое преобразование сигнала (рис 5.1) При этом осуществляются две операции. Первая - дискретизация - предполагает замену записываемого аналогового колебания (рис. 5.1а) его отсчётами (рис 5.1б), взятыми за очень короткое время и следующими друг за другом со стандартной частотой F_д = 44,1 кГц Данная величина выбрана не случайно В соответствии с теоремой Котельникова (или теоремой Шеннона), известной из курса радиоэлектроники, для обратимого преобразования «непрерывный сигнал - отсчётный сигнал» частота дискретизации F_д должна быть больше удвоенной верхней частоты спектра аналогового колебания. Поэтому для аудиосигналов с частотным диапазоном 20 Гц - 20 кГц, применяемых в технике класса Hi-Fi, частота дискретизации выбирается из условия F_д > 40 кГц, которому как раз и удовлетворяет стандартное значение 44,1 кГц.

Рис.5.1

Вторая операция - квантование, то есть замена мгновенных значений напряжения отсчётов на ближайшие значения из разрешённой сетки квантования (рис 5.1в) Уровни квантования отличаются на величину шага , каждый из них соответствует определенному коду, записываемому последовательностью нулей и единиц (двоичный код). В результате такой обработки входному аналоговому сигналу ставится в соответствие последовательность цифровых кодов.

Точность цифрового представления и динамический диапазон обрабатываемых сигналов зависят от правильности выбранных параметров. Уменьшение величины кванта повышает точность преобразования, но соответственно возрастает и количество возможных уровней в сетке квантования, что напрямую связано с разрядностью N аналого-цифрового преобразователя (АЦП), то есть количеством разрядов (нулей и единиц) кода. Из-за трудностей технического выполнения элементов данный параметр обычно ограничен. Кроме того, бесконечное увеличение разрядности не приводит к постоянному росту качества воспроизведения аудиосигналов. Считается, что достаточное количество разрядов АЦП для высококачественной записи и последующего воспроизведения аудиосигналов - 14. На практике используется величина N=16. При этом точность преобразования и динамический диапазон D обрабатываемого сигнала можно определить по формулам

,

.

Конечная разрядность представления отсчётов непрерывного сигнала в любом случае приводит к некоторому его искажению, которое выражается в так называемом шуме квантования, несколько ухудшающем общее отношение сигнал/шум.

Таким образом, на выходе АЦП имеется последовательность появляющихся с частотой 44,1 кГц 16-разрядных двоичных кодов отсчётов аудиосигнала. Для таких кодов используется термин «слово». Слово может быть разложено на две 8-разрядные половины: старший (С) и младший (М) байт или символ. При записи стереофонического аудиосигнала отсчёты левого (Л) и правого (П) каналов оцифровываются по очереди, то есть за словом левого канала следует слово правого, затем опять левого и т.д. Тогда частота следования отсчётов удваивается и становится равной 88,2 кГц. Такой порядок преобразования позволяет обеспечить очень высокую степень разделения стереоканалов проигрывателей компакт-дисков - более 90 дБ.