Складнощі, пов’язані з оцифровкою - теорія звукових хвиль - Фізика та психофізика звуку - Електронне
Незважаючи на простоту і інтуїтивність процесу оцифрування, ця процедура пов'язана з багатьма труднощами і проблемами.
По-перше, частота дискретизації, яка встановлюється теоремою Котельникова, є мінімально необхідною, але не достатньою. Дискретизація вносить додаткові перешкоди в спектр вихідного сигналу, додаючи в нього його дзеркальну копію. Тому значення частоти дискретизації має вибиратися дещо більшим, ніж частота, що встановлюється теоремою Котельникова, щоб зробити можливою успішну фільтрацію зайвих спектральних складових.
По-друге, квантування значень сигналу привносить у спектр сигналу додаткову перешкоду, звану шумом квантування абошумом дроблення. Шумом (помилкою) квантування називають сигнал, що становить різницю між відновленим цифровим та вихідним аудіо сигналами. Ця різниця утворюється в результаті заокруглення вимірюваних значень сигналу. При цьому виконується наступна закономірність: чим вище розрядність квантування, тим нижчий рівень шуму квантування (оскільки тим менше значення потрібно округлювати кожне вимірюване значення сигналу). Природа шуму квантування така, що ширина спектральної області, де він простягається, пропорційна значенню частоти дискретизації. При цьому при фіксованій розрядності квантування загальна енергія шуму квантування залишається постійною. А це означає, що чим вище частота дискретизації, тим у ширшій спектральній області простягається шум квантування і, відповідно, тим нижча його потужність в деякій фіксованій смузі спектру, що цікавить нас, наприклад, в смузі чутних частот. Цей факт має велике практичне значення.
Слід сказати, що рівень шуму квантуваннятакож залежить від форми самого сигналу. В ідеальному випадку помилка при округленні значень сигналу є випадковою і, отже, спектр шуму квантування виявляється рівномірним. Насправді, однак, цього не відбувається. Форма реальних звукових сигналів є до певної міри не випадковою, отже, і помилка квантування теж не випадковою. У цьому випадку спектр шуму квантування виявляється не рівномірним і концентрується в певній області, що негативно позначається на звучанні цифрового сигналу. Існує кілька способів боротьби із цим явищем. Так, небажану концентрацію шуму квантування в деякій частотній області можна нейтралізувати шляхом підмішування до вихідного аналогового сигналу деякого слабкого потужності псевдовипадкового шуму. Цей шум мінімізує ступінь залежності помилок округлення від форми сигналу, що перетворюється, що добре розсіює спектр шуму квантування і робить його рівномірним. Таким чином, описаний прийом (названий дизерингом, від англ. «dithering» – «тремтіння») як би підміняє небажаний шум квантування штучно підмішаним псевдовипадковим шумом. При цьому підмішаний псевдовипадковий шум виявляється менш помітним на слух, ніж шум квантування, який вийшов би без застосування дизерингу. Ще один прийом боротьби з рівнем шуму квантування називається формуванням шуму (від англ. "Noise shaping"). Ідея прийому полягає у навмисній зміні форми вихідного аналогового сигналу спеціальним чином, щоб подальше квантування призвело до появи шуму квантування, основна енергія якого розташувалася б у найменш помітних частотних слухових областях. Формування шуму з таким спектром досягають шляхом використання фільтра, що моделює криву рівної гучності (про цюкривою ми говорили вище).
Імпульсний сигнал, що отримується в результаті аналогово-цифрового перетворення, через недосконалість перетворюючих пристроїв має деякі вади. Ці вади виражаються у випадкових відхиленнях тривалостей прямокутних імпульсів від номінальної величини кроку дискретизації, соціальній та неабсолютної крутості фронтів імпульсів. Інакше кажучи, здійснення вибірки сигналу при оцифровці відбувається не через абсолютно рівні проміжки часу, а з деякими випадковими відхиленнями від номіналу, при цьому результуючий імпульсний сигнал також має неідеальну прямокутну форму. Якщо, скажімо, дискретизація проводиться з частотою 44.1 кГц, то відліки беруться не точно кожні 1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.gif" /> секунди, а то трохи раніше, то трохи пізніше. сигнал постійно змінюється, то така похибка призводить до реєстрації не зовсім правильного рівня сигналу.Описаний неприємний ефект називаєтьсяджиттером (від англ. Jitter - тремтіння) і по суті є виключно результатом неабсолютної стабільності апаратури (АЦП ) На слух джиттер сприймається як деяке тремтіння сигналу на високих частотах, при цьому на низьких частотах джиттер виражається в деякому «розмазуванні» спектра сигналу.Для боротьби з джиттером застосовують високостабільні тактові генератори.Слід зазначити, що причиною появи джиттера може бути не тільки аналогово -цифрове перетворення, але й передача імпульсного сигналу цифровим каналом від одного пристрою до іншого.У цьому випадку поява джиттера є результатом неідеальної комутації/синхронізації пристроїв і може бути усунуто тільки шляхом використання апаратури, що регенерує цифровий сигнал.
Розглянемо нарешті ще один неприємний ефектоцифрування, званийгранулярним шумом. Гранулярним шумом (від англ. Granular noise) називають ефект нестабільності округлення в процесі квантування. Якщо величина сигналу незначно змінюється близько деякої величини, що є межею між двома сусідніми рівнями квантування, навіть найменші коливання величини сигналу навколо цієї межі можуть викликати помітні зміни результатів округлення при квантуванні значень амплітуди. Це з тим, що квантователь у разі округляє виміряне значення сигналу до величини одного, то величини другого із сусідніх рівнів квантування.