Исследование ИСКАЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ
АЦ-Преобразованием ЗВУКОВОГО СИГНАЛА
Цели работы:
- исследовать влияние количества уровней квантования звукового сигнала и формата его сохранения на нелинейные искажения и уровень шумов фонограммы;
- изучить возможности программного продукта Sound Forge для измерения объективных параметров сигнала.
. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В процессе формирования, преобразования и передачи электрических звуковых сигналов (ЗС) в них вносятся искажения: линейные, нелинейные и шумы. Впоследствии, перед воспроизведением таких сигналов, первый вид искажений сравнительно легко уменьшить. Для уменьшения третьего вида искажений применяют специальные устройства – шумоподавители, и какими бы шумы сигнала не были эта задача, в принципе, решаема. Устранить внесённые в ЗС нелинейные искажения в результате неправильной обработки или при передаче практически невозможно. Все цепи прохождения электрических ЗС в той или иной степени не линейны. И только благодаря введению отрицательных обратных связей удаётся снизить вносимые нелинейные искажения, в том числе даже до значений ниже порога слуховой заметности.
При цифровой передаче ЗС нелинейной обработки не избежать: это происходит при аналого-цифровом представлении сигналов. При этой процедуре каждый квантованный аналоговый отсчёт ЗС заменяется дискретным, наиболее близким к нему. В результате этой замены появляется ошибка (погрешность округления), максимальное значение которой составляет (при линейном квантовании) половину шага квантования - δ/2. В свою очередь шаг квантования δ определяется количеством разрешённых (имеющихся) уровней квантования, которые определяются количеством разрядов квантования n (длиной кодового слова). До тех пор, пока эта погрешность округления относительно исходного сигнала невелика, она проявляется (и воспринимается на слух) как шум (квантования). При большой её величине она воспринимается уже как нелинейные искажения. Нелинейность тракта передачи (согласно ГОСТ 11515-91) измеряется двумя методами: метод коэффициента гармоник и метод разностного тона.
Метод коэффициента гармоник
На вход исследуемого тракта последовательно подаются испытательные гармонические сигналы с частотами от f=40Гц до f=6300Гц и номинальным уровнем. Из-за нелинейности тракта на его выходе, кроме напряжения основной частоты Uf1, появляются напряжения (2-й, 3-й…k-й) гармоник: U2f1, U3f1,…Ukf1. Величину нелинейности оценивают по коэффициенту гармоник, который рассчитывают по формуле
Кг=(U22f1,+U23f1+…+U2kf1)0,5/Uf1∙100, %. (5.1)
На рис.5.1 приведены спектры гармонического ЗС на выходе тракта звукопередачи при его исследовании методом коэффициента гармоник для двух случаев: если относительная нелинейность тракта невелика (а) и если относительная нелинейность тракта значительна (б).
а)
б)
Реальный ЗС имеет довольно широкий динамический диапазон, который у речевого сигнала находится в пределах (20…30)дБ, а музыкального – (30…80)дБ. Поэтому при процедуре аналого-цифрового преобразования ЗС (оцифровывании) даже при большом количестве уровней квантования с уменьшением уровня сигнала нелинейные искажения возрастают.
Метод разностного тона
Реальный ЗС не является гармоническим, т.к. в каждый момент времени в его спектре присутствует несколько спектральных составляющих. Поэтому измерение гармоническим сигналом не адекватно отражает реальную картину нелинейности тракта передачи ЗС. В связи с этим применяется ещё один метод измерения нелинейности – метод разностного тона. При этом методе на вход исследуемого тракта подаются два испытательных гармонических сигнала: частотой f1=12,1кГц и f2=12,9кГц номинальным уровнем N1=-6дБ. Из-за нелинейности тракта на его выходе, кроме напряжений основных частот Uf1 и Uf2, появляются продукты нелинейности: напряжения 2-й, 3-й,…k-й гармоник сигнала каждой частоты (U2f1, U3f1,…Ukf1 и U2f2, U3f2,…Ukf2), а также напряжения разностных и суммарных частот. Наибольшие значения среди них имеют напряжения Uf2-f1, U2f1-f2 и U2f2-f1.
Величину нелинейности оценивают коэффициентами разностного тона второго (Крт2) и третьего (Крт3) порядков, которые рассчитывают по формулам:
Крт2=2∙ Uf2-f1/(Uf1 + Uf2) ∙100%; (5.2)
Крт3=4∙ (U2f1-f2 + U2f2-f1)/(3∙ (Uf1 + Uf2)) ∙100%. (5.3)
На рис.5.2 приведены спектры сигнала на выходе тракта звукопередачи при исследовании его методом коэффициента разностного тона: а - если нелинейность тракта относительно невелика и б- нелинейность тракта значительна.
Величина шума квантования определяется ошибкой округления квантованных отсчётов, которая, в свою очередь, зависит от количества уровней квантования. На рис.5.3 приведена зависимость напряжения от времени (вверху) и спектр этого сигнала (внизу) для случаев, когда частота сигнала кратна частоте дискретизации (а) и не кратна ее целому числу (б).
а)
б)
Уровень шума квантования определяется формулой [2]
Nш =6∙n+10∙lg(Fд/(2∙ΔF))+C, дБ,
где Nш - уровень шума квантования; n - количество разрядов кодового слова; Fд - частота дискретизации; ΔF =(Fв - Fн) - полоса частот преобразуемого сигнала; Fн и Fв –соответственно нижняя и верхняя частоты его спектра; C=(2…-15) – постоянная, учитывающая параметры сигнала.
Для гармонического сигнала при Fд=44,1кГц в полосе ΔF=20кГц формула, определяющая уровень шума квантования Nш, принимает вид
Nш =6∙n+1.8, дБ. (5.4)
ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Для проведения исследований понадобятся испытательные сигналы. Для измерения величины нелинейных искажений (согласно ГОС 11515-91) применяются:
· гармонический сигнал, частота которого выбирается в пределах от 40Гц до 6300Гц, для измерения нелинейности методом коэффициента гармоник;
· бигармонический сигнал, содержащий напряжения двух частот: f1=12,1кГц и f2=12,9кГц, для измерения нелинейности методом разностного тона.