Методы позиционирования и сжатия звука

 

Отдельную проблему составляет сложность регистрации неисправленных ошибок, а также проверки идентичности оригинала и копии. Чаще всего  конструкторы цифровых звуковых устройств, работающих в реальном времени, не озабочены  вопросом точной проверки достоверности  передачи, считая вполне достаточными меры, принятые для коррекции ошибок. Невозможность в общем случае повторной передачи ошибочного отсчета  или блока приводит к тому, что  интерполяция происходит скрытно и  после копирования нельзя с уверенностью сказать, точно ли скопирован исходный сигнал. Индикаторы ошибки, имеющиеся  в ряде устройств, обычно включаются только в момент ее возникновения, и  в случае одиночных ошибок их срабатывание легко может остаться незамеченным. Даже в системах на основе персональных компьютеров чаще всего нет возможности  контролировать правильность приема по цифровому интерфейсу или прямого  считывания CD; выходом является только многократное повторение операции и  сравнение результатов.

 

И наконец, в принципе возможны ситуации, когда даже незначительные ошибки способны необратимо исказить передаваемую информацию, оставшись  при этом незамеченными системой передачи. Другое дело, что вероятность  возникновения подобных ошибок исчезающе мала (порядка одной на несколько лет непрерывной передачи сигнала), поэтому такую возможность практически нигде не принимают в расчет.

 

К вопросу о сохранении качества сигнала  при цифровой обработке

 

Прежде всего, необходимо различать "искажающие" и "неискажающие" виды обработки. К первым относятся операции, изменяющие форму и структуру сигнала - смешивание, усиление, фильтрация, модуляция и т.п., ко вторым - операции монтажа (вырезка, вклейка, наложение) и переноса (копирования).

 

Качество сигнала может  страдать только при "искажающей" обработке, причем любой - и аналоговой, и цифровой. В первом случае это  происходит в результате внесения шумов, гармонических, интермодуляционных и  других искажений в узлах аналогового  тракта, во втором - благодаря конечной точности квантования сигнала и  математических вычислений. Все цифровые вычисления выполняются в некоторой  разрядной сетке фиксированной  длины - 16, 20, 24, 32, 64, 80 и более бит; увеличение разрядности сетки повышает точность вычислений и уменьшает  ошибки округления, однако в общем  случае не может исключить их полностью. Конечная точность квантования первичного аналогового сигнала приводит к  тому, что даже при абсолютно точной обработке полученного цифрового  сигнала квантованное значение каждого  отсчета все равно отличается от своего идеального значения. Для  минимизации искажений при обработке  в студиях предпочитают обрабатывать и хранить сигналограммы на мастер-носителях с повышенным разрешением (20, 24 или 32 разряда), даже если результат будет тиражироваться на носителе с меньшим разрешением.

 

Кроме собственно ошибок вычислений и округления, на точность сильно влияет выбор представления числовых отсчетов сигнала при обработке.

 

Традиционное представление PCM с так называемой фиксированной  точкой (fixed point), когда отсчеты представляются целыми числами, наиболее удобно и влечет минимум накладных расходов, однако точность вычислений зависит от масштаба операций - например, при умножении образуются числа вдвое большей разрядности, которые потом приходится приводить обратно к разрядности исходных отсчетов, а это может привести к переполнению разрядной сетки. Компромиссным вариантом служит промежуточное увеличение разрядности отсчетов (например, 16->32), что снижает вероятность переполнения, однако требует большей вычислительной мощности, объема памяти и вносит дополнительные искажения при обратном понижении разрядности. Кроме того, снижению погрешности способствует правильный выбор последовательности коммутативных (допускающих перестановку) операций, группировка дистрибутивных операций, учет особенностей работы конкретного процессора и т.п.

 

Другим способом увеличения точности является преобразование отсчетов в форму с плавающей точкой (floating point) с разделением на значащую часть - мантиссу и показатель величины - порядок. В этой форме все операции сохраняют разрядность значащей части, и умножение не приводит к переполнению разрядной сетки. Однако, как само преобразование между формами с фиксированной и плавающей точкой, так и вычисления в этой форме требуют на порядки большего быстродействия процессора, что сильно затрудняет их использование в реальном времени.

 

Несмотря на то, что качество сигнала неизбежно, хоть и незначительно, ухудшается при любой "искажающей" цифровой обработке, некоторые операции при определенных условиях являются полностью и однозначно обратимыми.

 

Например, усиление сигнала  по амплитуде в три раза заключается  в умножении каждого отсчета  на три; если эта операция выполнялась  с фиксированной точкой и при этом не возникло переполнения, с помощью деления на три потом можно будет вернуть все отсчеты в исходное состояние, тем самым полностью восстановив первоначальное состояние сигнала. И в то же время после умножения каждый отсчет окажется увеличенным точно в три раза, поэтому ошибка относительно исходного аналогового сигнала, внесенная при квантовании, также увеличится в среднем в три раза, тем самым ухудшив общее качество сигнала.

 

Сказанное выше демонстрирует, что ухудшение качества при "искажающей" цифровой обработке совсем не обязательно  накапливается со временем, хотя в  большинстве реальных применений происходит именно так. Кроме того, это не означает, что любая операция цифрового  усиления всегда будет однозначно обратимой - это зависит от многих особенностей применения операции. Тем не менее, грамотно и качественно реализованная  цифровая обработка может давать существенно меньший уровень  искажений, чем такая же аналоговая, разве что это будут искажения  разных видов.

 

 

К вопросу о сохранении качества сигнала  при цифровом преобразовании форматов

 

Только в том случае, когда в процессе преобразования применяются "искажающие" операции - изменение разрядности отсчета, частоты дискретизации, фильтрование, сжатие с потерями и т.п. Простое  увеличение разрядности отсчета  с сохранением частоты дискретизации  будет неискажающим, однако такое  же увеличение, сопряженное с применением  сглаживающей функции - уже нет. Уменьшение разрядности отсчета всегда является искажающей операцией, кроме случая, когда преобразуемые отсчеты  были получены таким же простым увеличением  разрядности - равной или меньшей.

 

Многие форматы отличаются друг от друга только порядком битов  в слове, отсчетов левого и правого  каналов в потоке и служебной  информацией - заголовками, контрольными суммами, помехозащитными кодами и  т.п. Точный способ проверки неискажаемости сигнала заключается в преобразовании нескольких различных потоков (файлов) формата F1 в формат F2, а затем обратно в F1. Если информационная часть каждого потока (файла) при этом будет идентична исходной - данный вид преобразования можно считать неискажающим.

 

Под информационной частью потока (файла) понимается собственно набор данных, описывающих звуковой сигнал; остальная часть считается  служебной и на форму сигнала  в общем случае не влияет. Например, если в служебной части файла  или потока предусмотрено поле для  времени его создания (передачи), то даже в случае полного совпадения информационных частей двух разных файлов или потоков их служебные части  окажутся различными, и это будет  зафиксировано логическим анализатором в случае потока или программой побайтного сравнения - в случае файла. Кроме  этого, временной сдвиг одного сигнала  относительно другого, возникающий  при выравнивании цифрового потока по границам слов или блоков и состоящий  в добавлении нулевых отсчетов в  начало и/или конец файла или  потока, также приводит к их кажущемуся цифровому несовпадению. В таких  ситуациях для проверки идентичности цифровых сигналов необходимо пользоваться специальной аппаратурой или  программой.

 

Для "перегонки" звука  между специализированными системами, имеющими совместимые цифровые интерфейсы, достаточно соединить их цифровым кабелем  и переписать звук с одной системы  на другую; в ряде сочетаний устройств при этом возможно ухудшение качества сигнала из-за уменьшения разрядности отсчета, передискретизации или сжатия звука. Например, при копировании звука между одинаковыми системами MiniDisk через интерфейс S/PDIF сжатый звуковой поток на передающей стороне подвергается восстановлению, а на приемной - повторному сжатию. Вследствие несимметричности алгоритма ATRAC в звук при повторном сжатии будут внесены добавочные искажения.

 

Для преобразования компьютерного  файла в другой формат используются программы-конверторы: WAV2AIFF/AIFF2WAV, Convert, AWave и другие - на IBM PC, SoundExtractor, SampleEditor, BST - на Apple Macintosh.

 

Обмен звуковой информацией  между компьютерной и специализированной системой нередко возможен несколькими  способами: Прямой перенос по цифровому  интерфейсу, если у обоих систем имеются совместимые цифровые интерфейсы. При этом на компьютерной системе используется программа записи/воспроизведения, формирующая или воспроизводящая стандартный для данной системы звуковой файл.

 

Чтение/запись на специализированных системах стандартных компьютерных носителей. Например, ряд музыкальных  рабочих станций использует гибкие диски в форматах стандартных  файловых систем IBM PC или Macintosh, либо позволяет прочитать или создать такой диск.

 

Чтение и запись на компьютерной системе специализированных носителей  и их специальных форматов, если это позволяет аппаратура и программное  обеспечение. Таким образом читаются и пишутся дискеты от Ensoniq, AKAI, Emulator, компакт-диски ряда "чужих" систем, а также читаются и пишутся обычные звуковые компакт-диски.