Цифровое представление звуковых вещательных сигналов. Аналого-цифровое преобразование. Измерительные частоты в цифровом канале ЗВ, страница 3

Мощность шумов квантования в паузе составляет:

Р_кв = δ²/4.

Для отсчетов сигнала, превышающих Х_п (порог, максимальный раствор шкалы квантования), возникают искажения, которые называют искажениями перегрузки (рис. 3.1,6). В реальных условиях передачи превышение мгновенными значениями сигнала порога Х_п не всегда приводит к заметной на слух перегрузке. При небольшой перегрузке искажения могут быть замаскированы сигналом. На рис. 3.2 приведена полученная субъективно-статистическим методом зависимость заметности искажений от коэффициента перегрузки к_п = 20log |Х_макс| / х, где |Х_макс| - максимальный по модулю отсчет. Из рисунка следует, что искажения перегрузки мало заметны.

Рис. 3.2. Заметность перегрузки:

1 - усредненное значение для звуковых передач различного характера; 2 -для критического фрагмента (женское сольное пение)

Для избежания перегрузок защитный интервал берется, как правило, не менее 6 дБ, с тем, чтобы исключить влияние на перегрузку нестабильности диаграммы уровней в КЗВ, неточностей измерения максимального уровня ЗВС при его формировании и передаче по каналам связи. Отметим, что увеличение этого защитного интервала приводит к уменьшению отношения сигнал/ искажение квантования, а следовательно и динамического диапазона передаваемого по каналу сигнала.

Искажения квантования можно уменьшить путем оптимального размещения порогов квантования с учетом распределения вероятностей появления мгновенных значений входного сигнала. Для сигналов с экспоненциальным законом распределения оптимальное неравномерное квантование обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/искажения квантования в 4...5 дБ. Однако оптимизация в размещении порогов не обеспечивает выигрыша для отдельных фрагментов сигнала ЗВ, и ее применение малоэффективно.

Число уровней квантования N и число разрядов n, обеспечивающих высококачественную передачу ЗВС, должны быть согласованы с динамическим диапазоном как входного сигнала ЗВ, так и человеческого слуха. Желательно, чтобы искажения квантования лежали ниже порога чувствительности человеческого слуха. Воспользовавшись зависимостью громкости искажений от уровня сигнала, можно определить зависимость громкости искажений от уровня перегрузки (L_n) квантователя, так как этот уровень связан с уровнем искажений соотношением

L_и = L_п + D, где D - динамический диапазон квантователя.

Семейство кривых громкости искажений L_гр (L_п) при различном числе разрядов квантования л приведено на рис. 3.3. Как отсюда видно, для 16разрядного квантователя можно допустить максимальный уровень сигнала 106...110 дБ, т.е. уровень, лежащий близко к границе болевых ощущений слуха. При этом искажения в отсут ствии сигнала будут незаметны (громкость 0...0.05 сона). Уровень минимальных сигналов, лежащих на абсолютном пороге слышимости, - около 0 дБ. Причем сигналы такого малого уровня будут передаваться квантователем со статистической линеаризацией. Таким образом, для 16-разрядного квантователя реальный динамический диапазон передаваемых сигналов близок к динамическому диапазону слуха и составляет 106...110 дБ.

Рис. 3.3. Громкость искажений при различном числе разрядов

Рассчитанный динамический диапазон составит для 16-разрядного преобразователя 95 дБ. Разность в 11...15 дБ связана с особенностями слуха. Равномерное 16-разрядное квантование в настоящее время принято для студийных цифровых ТФП и, как правило, в системах цифрового радиовещания, а для передачи ЗВС по линиям связи считают достаточным 14-разрядное равномерное квантование.

Как следует из рис. 3.3, максимальный уровень сигнала на выходе 14разрядного квантователя может принимать значения до 93...98 дБ, что соответствует форте-фортиссимо симфонического оркестра, а искажения квантования не будут прослушиваться даже при благоприятных условиях, т.е. в заглушённых помещениях и при слабых сигналах. К сожалению, в реальных условиях искажения сигналов малого уровня очень заметны, а ошибки квантования велики, что приводит к необходимости разработки и использования АЦП с 18...20-разрядным представлением ЗС.