UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 1

ĆWICZENIE 3_4 – TEORIA

Karty dźwiękowe

Analogowy zapis dźwięku

Co oznacza termin "technika analogowa"? Mówiąc najprościej, obróbkę

sygnałów w ich podstawowej niezmienionej (naturalnej), ciągłej postaci,

czyli w ich naturalnym widmie częstotliwościowym. Ciągła postać

oznacza w praktyce, że jeśli zakres zmienności sygnału wynosi na

przykład od 0 V do 10 V, to jego wartość (amplituda) może w dowolnej

chwili przyjąć dowolną wartość z tego przedziału i jest określona w całym

okresie trwania sygnału.

Dokładność określenia chwilowej wartości sygnału jest ograniczona

w zasadzie jedynie dokładnością stosowanych przyrządów pomiarowych

i warunkami pomiaru.

Zapis analogowy oznacza, że sygnał jest rejestrowany na nośniku

właśnie w naturalnej, ciągłej postaci. Jedyny zabieg, jakiemu sygnał jest

poddany, do ewentualnie modulacja, umożliwiająca trwały zapis.

Klasyczny przypadek zapisu w technice analogowej to np.: zapis

dźwięku na taśmie magnetofonowej Compact Casette, lub obrazu na

taśmie magnetowidu VHS.

Taśma magnetyczna przesuwa się przed głowicą zapisującą. Głowica

wytwarza zmienne pole magnetyczne, dokładnie odwzorowujące

przebieg zapisywanego sygnału. Dzięki oddziaływaniu pola na taśmę,

sygnał analogowy zostaje w niej odwzorowany w postaci tzw.

pozostałości magnetycznej, czyli lokalnych zmian namagnesowania

nośnika.

Zarejestrowany w ten sposób sygnał ma przebieg dokładnie

odzwierciedlający przebieg źródła, jednak jest obciążony poważnymi

problemami jakościowymi:

• wszelkie szumy, przydźwięki i zakłócenia, jakie powstają w

układach elektronicznych toru zapisu oraz w połączeniach

kablowych sumują się z sygnałem użytecznym, zniekształcając

jego przebieg i obniżając jakość późniejszego odtwarzania

UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 2

• wraz z kolejnymi cyklami odczytu, wskutek bezpośredniego

kontaktu głowicy z nośnikiem, stopniowemu zniszczeniu ulega

warstwa ferromagnetyczna przechowująca pozostałość

magnetyczną, a tym samym spada wierność nagrania, zanikają

jego szczegóły

Technikę analogową można podsumować następująco:

• olbrzymią zaletą (niemożliwą do uzyskania w technikach

cyfrowych) jest ciągłe odwzorowanie sygnału, przetwarzanie go w

naturalnej postaci

• zasadniczą wadą jest trudność w eliminacji zakłóceń i szumów,

której skutkiem jest słaba dynamika sygnału oraz niska wartość

stosunku sygnał/szum.

Cyfrowy zapis dźwięku

W technice cyfrowej sygnał przetwarzany jest z postaci naturalnej,

ciągłej, do reprezentacji numerycznej, czyli ciągu dyskretnych wartości

liczbowych.

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C) składa się z czterech

podstawowych procesów:

1. Próbkowania

2. Kwantyzacji

3. Kodowania

4. Zapisywania

1. Próbkowanie

Polega na określeniu wartości sygnału ciągłego w określonych

odstępach czasu. "Chwile próbkowania" są określone przez

częstotliwość próbkowania, jeden z podstawowych parametrów

przetwarzania A/C – Rysunek 1.

Rysunek 1 Próbkowanie.

UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 3

Wskutek tego procesu, zamiast przebiegu ciągłego (analogowego),

określonego w całym przedziale czasowym, uzyskujemy zbiór

dyskretnych wartości, które można przedstawić jako tzw. przebieg

schodkowy, ponieważ w okresach czasu dzielących pobranie kolejnych

próbek jego wartość jest stała.

Oczywiste jest, że w miarę wzrostu częstotliwości próbkowania,

wynikowy przebieg schodkowy coraz wierniej przybliża kształt przebiegu

analogowego. Zgodnie z teorią przetwarzania sygnałów, minimalna

częstotliwość próbkowania musi być dwukrotnie wyższa od granicznej

częstotliwości przetwarzanego sygnału – patrz twierdzenie Kotielnikowa-

Shannona.

Twierdzenie Kotielnikowa-Shannona

Sygnał ciągły może być ponownie wiernie odtworzony z sygnału dyskretnego, jeśli był

próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swego widma.

Tę częstotliwość graniczną nazywa się częstotliwością Nyquista.

2. Kwantyzacja

W tym kroku, wartości sygnału uzyskane drogą próbkowania (należące

nadal do całego zakresu zmienności sygnału) zostają "zaokrąglane" w

taki sposób, by można je było przedstawić przy pomocy skończonej

liczby wartości, wynikającej z tzw. rozdzielczości przetwarzania. Mówiąc

w dużym uproszczeniu, np.: wartości z przedziału 0-0,1 zostają

określone jako 0,1, 0,1 -0,2 jako 0,2 itd. – rysunek 2.

Rysunek 2. Kwantyzacja.

Na tym etapie powstaje tzw. błąd kwantyzacji, wynikający z tego, że

reprezentując ciągły zakres zmienności sygnału przy pomocy kilku

wartości dyskretnych, tracimy bezpowrotnie informację o małych

zmianach w obrębie przedziałów pomiędzy sąsiednimi wartościami. Błąd

ten jest tym większy im mniejsza jest liczba przedziałów kwantyzacji

(mniejsza rozdzielczość).

UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 4

3. Kodowanie

Na tym etapie liczbowe kody dyskretnych wartości, do jakich został

sprowadzony sygnał źródłowy, zostają zapisane w postaci liczbowej,

czyli w przypadku binarnej techniki cyfrowej, w formie liczb zapisanych w

systemie dwójkowym, ciągu zer i jedynek. – Rysunek 3.

Rysunek 3 Kodowanie.

(Przetwarzanie cyfrowo-analogowe, z którym mamy do czynienia przy

odtwarzaniu sygnału, polega, mówiąc w skrócie, na przetworzeniu ciągu

liczb na przebieg schodkowy, a następnie na filtracji wygładzającej tak,

by przybliżał początkowy sygnał analogowy.)

4. Zapisywanie

Uzyskany w ten sposób sygnał cyfrowy jest zapisywany na nośniku.

Zamiast sygnału analogowego, urządzenia rejestrują ciąg 0 i 1. Zamiast

nieskończonej liczby amplitud sygnału analogowego, uzyskujemy dwie

dyskretne wartości. – Rysunek 4.

Rysunek 4 Zapisywanie.

Dzięki temu, że zapisujemy, a następnie odczytujemy jedynie dwa stany

logiczne (1/0, wysoki/niski, H/L, prawda/fałsz), możliwe jest skuteczne

zabezpieczenie się przed wpływem zakłóceń i zniekształceń. Jeśli

przyjmiemy, że np.: 0 logiczne zapisujemy jako amplitudę -0,5V, a 1 jako

+0,5V, łatwo możemy sobie wyobrazić, iż szumy i zakłócenia, nawet na

poziomie 0,1V (czyli 10%) nie wpłyną na prawidłowość dekodowania tak

znacznie odbiegających od siebie poziomów.

UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 5

Podobnie, zużycie lub częściowe rozmagnesowanie taśmy, na której

sygnał został zapisany, sprawi, że zamiast +/-0,5V zostaną odczytane

poziomy +/-0,3V, ale nadal prawidłowo będzie zdekodowany ciąg 0 i 1,

czyli prawidłowa postać sygnału.

W celu dalszej eliminacji zakłóceń, w zapisie cyfrowym są stosowane

przeróżne mechanizmy zabezpieczeń, takie jak suma kontrolna,

przeplot, kodowanie blokowe i kanałowe, umożliwiające nawet

rekonstrukcję zniekształconych danych.

Problemy zapisu cyfrowego

Zapis cyfrowy wiąże się również z pewnymi problemami:

• bardzo ważna jest prawidłowa synchronizacja zapisu, a następnie

odtworzenie przebiegu synchronizującego w trakcie odczytu,

będące zasadniczym warunkiem prawidłowego przetworzenia C/A

• w procesie kwantyzacji tracimy część szczegółów przebiegu

sygnału (tzw. błąd kwantyzacji), sygnał analogowy uzyskany

następnie w wyniku przetwarzania C/A odbiega więc od

pierwotnego sygnału analogowego.

Istnieją sprawdzone metody minimalizacji wymienionych powyżej

niekorzystnych efektów przetwarzania sygnałów analogowych do postaci

cyfrowej.

Aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie cyfrowe sygnału

analogowego, można zwiększyć częstotliwość próbkowania - uzyskany

w ten sposób przebieg schodkowy będzie bardziej zagęszczony.

Podobnie, aby zmniejszyć błąd kwantyzacji ( "zaokrąglania" wartości

poszczególnych schodków), czyli zwiększyć odstęp Sygnał/Szum,

można zwiększyć rozdzielczość przetwarzania, czyli liczbę bitów, przy

pomocy których kodujemy wartość sygnału.

Obydwie metody prowadzą jednak do radykalnego zwiększenia ilości

danych powstających w wyniku przetwarzania.

Określenie optymalnych parametrów przetwarzania wymaga dokładnej

analizy, stosuje się różne kroki pośrednie, m. in. nadpróbkowanie

(oversampling), często połączone ze zmniejszaniem rozdzielczości

przetwarzania, decymację, czyli selekcję wybranych próbek sygnału.

UTK – III SERIA ĆWICZEŃ – Nr 04 – Badanie karty dźwiękowej – Str. 6

Kolejnym zagadnieniem związanym z cyfrowym przetwarzaniem

sygnałów analogowych jest kompresja cyfrowych danych uzyskanych w

wyniku przetwarzania. Ogromne ilości danych (rzędu setek GB) można

wydajnie, przy zastosowaniu wyszukanych algorytmów, skompresować -

tak, by było możliwe zapisanie materiału cyfrowego na dostępnych

nośnikach.