Introducere in audio digital

Introducere in audio digital

Semnale analogice pe care dorim sa le transmitem la distanta sunt: semnalele vocale, imaginile culese de camerele de luat vederi și semnalele captate de senzori. Aceste trei clase de semnale au caracteristi diferite si necesita tehnici analogice specifice. Primele tehnici care au fost folosite la prelucrarea si inregistrarea sunetului au fost analogice: initial cilindri mecanici si discuri, mai tarziu banda magnetica, piste de sunet pe film optic care depind de etajele de egalizare si amplificare, asigurate cu amplificatoare cu tuburi. Prelucarea si inregistrarea au suferit un proces de rafinare graduala, dar a ajuns la limite prin fizica procesului A aparut o noua tehnologie si anume cea digitala. Semnalul analog este un semnal continuu variabil in timp, iar semnalul digital nu este altceva decat o succesiune de impulsuri (1 sau 0) care reprezinta un numar sau un "cuvant'.Pentru a trece de la semnalul analogic la cel digital trebuie ca semnalul analogic sa fie inlocuit cu o succesiune de cifre, materializate sub forma unor impulsuri cu doua nivele (0 si 1). In cazul semnalului digital se transmite o succesiune de numere, care reprezinta valoarea semnalului analogic in anumite momente. Pentru ca semnalul digital sa aproximeze cat mai bine semnalul analogic, reiese de la prima vedere ca numarul de puncte in care se face citirea trebuie sa fie cat mai mare, iar numerele care exprima valoarea trebuie sa aiba cat mai multe cifre, in tehnica digitala, trecerea de la semnalul analogic continuu la cel digital se numeste discretizare, ceea ce presupune valori discrete - in numar finit - ale semnalului, corespunzatoare unor momente discrete.

Un semnal poate fi numit semnal analogic sau semnal continuu in timp daca este definit pentru toate valorile variabilei continue t. Daca, in schimb, semnalul respectiv este definit doar pentru valori discrete ale variabilei t, atunci el poate fi numit semnal discret in timp sau semnal analogic esantionat. Daca in plus fata de a fi discret in timp, valoarea unui semnal poate lua la un moment arbitrar de timp doar anumite valori intr-un domeniu discret, si fiecare din aceste valori poate fi reprezentata matematic printr-un cod (de ex. cel binar), atunci se poate spune ca semnalul respectiv este un semnal digital.

Pentru ca un semnal analogic sa poata fi acceptat spre prelucrare de un sistem digital, el trebuie in prealabil convertit de la formatul analogic la cel digital. Echipamentul care efectueaza aceasta operatie se numeste convertor analog-digital (CAD, sau DAC - Digital to Analog Converter).

Conversia A/D este un proces care implica doua operatii:

- esantionarea, care transforma semnalul analogic intr-un semnal analogic esantionat, caracterizat prin variatii ale valorii sale doar la momente discrete de timp

- cuantizarea, operatie prin care semnalul analogic esantionat este cuantizat in amplitiudine, alocandu-i-se o valoare dintr-un set finit de valori discrete. Cuantizarea este un proces ireversibil, valorile initiale ale esantioanelor nemaiputand fi recuperate din semnalul cuantizat, decat cu o anumita eroare (eroarea de cuantizare)

Blocurile care efectueaza cele trei operatii implicate in conversia A/D se numesc esantionor, cuantizor, respectiv codor, așa cum e aratat in figura 1.1. Valorile respective sunt in numar finit si sunt exprimate cu un anumit numar de cifre, in cazul acesta scrise in cod binar.

Figura 1.1 Schema bloc principala a convertorului A/D

Figura 1.2. Conversia analogic digitala

In figura de mai sus (1.2), cu linie continua este reprezentat semnalul analogic și rezultatul esantionarii. Aceasta a fost facuta in cele 8 momente marcate t₀, , t₇. Valorile esantioanelor (nivelele analogice) sunt cuprinse intre 0 si 7 unitati. Nivelul digital al fiecarui esantion se exprima cu ajutorul a 3 digiti, deci pot fi scrise 2³ = 8 valori. Fiecarui esantion i se asociaza astfel un numar digital format din trei cifre care-i exprima marimea. Cuantificarea are ca rezultat succesiunea de impulsuri, unde fiecare trei impulsuri reprezinta valoarea unui esantion, iar succesiunea de impulsuri este expresia digitala a semnalului analog. O anumita valoare a unui esantion se acorda valorilor cuprinse in plaja de 0,5 din jurul valorii fixe. De exemplu, se acorda valoarea zero pentru esantioane cuprinse intre 0,5; valoarea 1 pentru esantioane cuprinse intre 0,5 si 1,5 etc. Toate aceste "erori' de cuantizare constituie "eroarea de discretizare' care reprezinta una dintre problemele conversiei analogic-digitale. In figura 1.1a a fost trasata punctat caracteristica unui semnal analogic care are aceeasi expresie digitala ca si caracteristica ideala, trasata cu linie continua. In realitate, situatia este mai complexa. Valorile esantioanelor nu sunt multipli intregi ai unitatii de esantionare, ele exprimandu-se in cazul acesta printr-un intreg, urmat de mai multe cifre dupa virgula. Cu cat numarul de cifre este mai mare, cu atat precizia exprimarii este mai mare, insa automat si numarul bitilor care-l exprima trebuie sa fie mai mare.

Intr-un sistem analogic pentru inregistrare, distanta de-a lungul mediului de inregistrare este mai departe analogica cu timpul. Daca semnalul este amplificat mai multe detalii vor fi puse in evidenta pana la un anume punct unde valoarea actuala este nesigura din cauza zgomotului.

Un parametru poate fi numai un analog adevarat al originalului daca procesul de conversie este liniar, altfel sunt introduce distorsiuni armonice. Daca viteza mediului de inregistrare nu este constanta marimea analoaga a originalului nu este cea reala.

Caracteristic unui mediu analogic este ca degradarile la iesire sunt suma tuturor degradarilor introduce in fiecare etaj prin care semnalul a trecut. Aceasta pune o limita la numarul de etaje prin care semnalul poate trece, inainte de a fi deteriorate pentru ascultare. Toate deteriorarile de semnal pot fi reduse la adunarea catorva semnale nedorite, ca zgomot sau distorsiuni si de asemenea la efectele intarzierii de grup si ale jitterului. In sistemele analogice astfel de efecte nu pot fi separate niciodata de semnalul original; in domeniul digital ele pot fi eliminate.

Prima faza a conversiei analogic digitale este esantionarea. Rezultatul esantionarii este un semnal discret in timp, fiecare esantion avand o anumita valoare .

Circuitul electric care, in principiu, poate asigura aceasta functie este un circuit simplu numit circuit de esantionare si memorare a nivelului. El consta dintr-un cuadripol care contine un intrerupator si un condensator. Schema sa electrica este data in fig. 1.2a. La intrarea cuadripolului se aplica semnalul analogic iar la iesire se culege semnalul esantionat-membrat. Operatia consta in manipularea cu o anumita frecventa a intrerupatorului K. Deci, in momentul esantionarii, intrerupatorul se inchide pentru un timp foarte scurt, la iesire transferandu-se valoarea semnalului de la intrare, apoi comutatorul se deschide, iar condensatorul C memoreaza valoarea, pastrand-o ca nivel de iesire pana la urmatoarea esantionare. Forma semnalului analogic este redat in fig. 1.3b, iar forma semnalului esantionat-memorat este data in fig. 1.3c. Esantionarea se face la momentele t₀, t _i t _i2 cu o frecventa fo. Forma semnalului esantionat aproximeaza forma semnalului de referinta. Este evident ca precizia aproximarii este cu atat mai mare cu cat numarul de esantioane intr-o anumita perioada de timp este mai mare sau. altfel spus, cu cat frecventa de esantionare este mai mare precizia aproximarii creste. In fig. 1.3d este redata forma semnalului esantionat cu o frecventa egala cu jumatate din cea folosita in cazul din fig. 1.3c. In acest caz forma semnalului esantionat este mult diferita de cea a semnalului initial.

Figura 1.3. Circuit electric: principiul de eșantionare-memorare

Calitativ, lucrurile sunt clare. Esantionarea trebuie facuta cu o frecventa cat mai mare. Una dintre regulile de baza ale esantionarii, cunoscuta sub numele de "criteriul lui Nyquist', stabileste ca frecventa de esantionare trebuie sa fie de cel putin doua ori mai mare decat frecventa maxima a semnalului esantionat pentru ca erorile introduse sa fie acceptabile.

In cazul CD, fiind vorba de semnale de audiofrecventa a caror frecventa maxima este de 20 kHz, rezulta ca frecventa de esantionare trebuie sa fie de cel putin 40 kHz. in tehnica CD frecventa de esantionare a fost aleasa de 44,1 kHz.

In sistemele audio digitale informația este in forma binara. Semnalele transmise au numai doua stari si se schimba la timpi predeterminați, conform unui tact stabil. Daca un semnal binar este degradat de zgomot , el va fi rejectat la receptor astfel ca semnalul este judecat numai daca este deasupra sau sub un anume prag.Totusi semnalul este transportat cu banda de frecventa limitata si aceasta va restrange rata la care tensiunea se schimba. Zgomotul suprapus poate sa miste punctul la care receptorul judeca ca a fost o schimbare de stare. Instabilitatea de timp are de asemenea acest efect. Instabilitatea este rejectata deoarece la receptie semnalul este resincronizat printr-un tact stabil si toate schimbarile din sistem vor fi inlocuite la tranzitiile acestu tact. Figura de mai jos arata ca desi semnalul trece prin mai multe etaje, el iese din acestea numai intarziat.

Figura 1.4. Refacerea semnalului digital in lantul de transmisiune

Semnalul analogic poate fi esantionat si cuantizat. Valorile binare esantionate pot fi transmise paralel sau serial pe un singur canal si procesul se numeste modulatia impulsurilor in cod (PCM). Singurul dezavantaj al schemei este ca un singur canal audio de inalta calitate necesita aproximativ 1 milion de biti/sec. Audio digitalul a devenit viabil cand au fost obtinute progrese in inregistrarea de mare densitate la un cost rezonabil.

Un cap magnetic nu poate sti ce fel de semnal primeste analogic sau numeric si nu face nici o distinctie intre ele. Deci semnalul digital va suferi aceleasi degradari ca si cel analogic. Totusi este o diferenta in efectele acestor degradari. Inregistrarea digitala foloseste codul binar. Cand am un impuls este important ca el sa fie inregistrat mai mare decat zgomotul. Adica un bit este un bit indiferent de forma sa. Aceasta inseamna ca bitii pe mediul de inregistrare pot fi foarte mici și foarte apropiati astfel incat sa incapa 1 milion biti/sec. Daca perturbarile la inregistrare dau erori se pot folosi, in semnale numerice, sisteme de corectie a erorilor, ceea ce in sistemele analogice nu este posibil. Fara sistemele de corectie a erorilor, audio digitalul nu ar putea exista. In domeniul digital semnalele pot fi usor transportate si stocate. Variatiile de viteza la recordere cauzeaza o rata de fluctuatii. Ele pot fi eliminate prin corectii in baza de timp. Erorile generate de fluctuatiile si defazarile intre piste datorate tesaturi benzii si erorii de azimut pot fi eliminate. Usurinta cu care poate fi realizata intarzierea pura in domeniul digital a permis realizarea reverberatoarelor digitale. Intarzierea este realizata cu filtre digitale cu faza liniara, foarte simple, ceea ce nu se putea realiza usor in analogic. Raspunsul in frecventa al filtrelor poate foarte usor schimbat.