ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

Алгоритмы обработки информационных сигналов при записи компакт-дисков

Аналоговая информация (речь, музыка и т. п.) записывается на компакт-диск после сложной обработки [58].

Сначала осуществляется аналого-цифровое преобразование сигнала, т. е. перевод непре­рывного сигнала в цифровую форму (рис. 9.27).

Она подразумевает дискретизацию — замену записываемого аналогового колебания (рис. 9.27, а) его отсчетами (рис. 9.27, б), взятыми за очень короткое время и следующими друг за другом через интервал Д / с определенной частотой /гя. Мгновенные значения напря­жения этих отсчетов подвергаются квантованию, что означает замену их истинных значе­ний ближайшими значениями из разрешенной сетки квантования (рис. 9.27, в). Уровни квантования отличаются на значение шага Д, и каждый уровень квантования соответствует определенному коду, записываемому последовательностью нулей и единиц (двоичный код). В результате такой обработки, которую называют амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ), входному аналоговому сигналу ставится в соответствие последовательность цифро­вых кодов. Точность цифрового представления сильно зависит от правильности выбранных параметров.

По теореме Котельникова, известной из курса радиоэлектроники, для осуществления подобного обратимого преобразования частота дискретизации /•"„ не должна быть меньше удвоенной верхней частоты спектра аналогового колебания. Это означает, что для аудио­сигналов, применяемых в технике класса Н(-Р1 с частотным диапазоном 20 Гц...20кГц, /^>40 кГц. Обычно выбирают = 44,1 кГц.

Уменьшение кванта А повышает точность преобразования, но при этом возрастает ко­личество возможных уровней в сетке квантования, что связано с разрядностью аналого - цифрового преобразователя (АЦП) — количеством разрядов (нулей и единиц) кода. Значе­ние этого параметра, как правило, ограничено из-за трудностей технического исполнения элементов. При определенных значениях разрядности ее рост влияет на качество уже не столь несущественно. Для высококачественной записи и последующего воспроизведения аудиосигналов считаются достаточными 14 разрядов АЦП, чаще используется 16 разрядов.

Конечная разрядность представления отсчетов непрерывного сигнала в любом случае приводит к некоторому его искажению, которое выражается в возникновении так называе­мого шума квантования, несколько ухудшающего общее соотношение сигнал/шум. Замена отсчетного сигнала на цифровой эквивалентна появлению в нем некоторого добавочного шума е(п).

Сам процесс квантования (рис. 9.28) может происходить с округлением или усечением. В первом случае при переводе каждого аналогового отсчета 5отсч (отмечен горизон­тальной черточкой) в цифровую форму этому аналоговому отсчету приводится в соответст­вие ближайшее значение (оно может быть большим или меньшим) квантованного сигнала 5Ц (отмечен точкой). Во втором случае каждому значению аналогового отсчета приводит­ся в соответствие ближайшее меньшее значение квантованного сигнала. Если динамические диапазоны устройства квантования и квантуемого колебания согласованы, шаг квантования А постоянен и значительно меньше действующего значения этого колебания, то максимальная ошибка квантования не превышает ± Д/2 при округлении и А при усечении. Предпочтение от­дается квантованию с округлением, не дающему систематической ошибки.

Мощность возникающего шума квантования в обоих случаях Ршк = А2/12.

Д/2

-Д/2

Рис. 9.28. Диаграмма происхождения шума квантования:

S4, Sotch — цифровой и отсчвтный сигналы; е(л) — сигнал ошибки

До сих пор мы предполагали, что уровни квантования в АЦП разделены одним и тем же интервалом Д. Для цифровой обработки аудиосигналов методами импульсно-кодовой моду­ляции также широко применяется неравномерное квантование. При этом методе шаг кван­тования непостоянен: он выбирается небольшим при малых уровнях сигнала и постепенно увеличивается с ростом входного сигнала, так что закон его изменения близок к логарифми­ческому. Существуют следующие причины применения логарифмического квантования:

- оно позволяет приблизиться к равновероятному распределению кодовых слов, соот­ветствующих различным уровням сигнала, что соответствует максимальной информа­тивности кодированного сигнала;

- обеспечивает примерно одинаковое отношение сигнал/шум квантования для «громких» и «тихих» источников сигналов, что повышает качество записи и воспроизведения.

На выходе АЦП сигнал представляет собой 16-разрядный двоичный код отсчета аудио­сигнала, называемый словом. Это слово может быть разложено на две восьмиразрядные поло­вины —: байты. При записи стереофонического аудиосигнала отсчеты левого и правого кана­лов «оцифровываются» по очереди, т. е. за словом левого канала следует слово правого, затем опять левого и т. д. Такой порядок преобразования позволяет обеспечить очень высокую сте­пень разделения стереоканалов, присущую проигрывателям компакт-дисков — более 90 дБ.

Для того чтобы при воспроизведении можно было однозначно восстановить поток ин­формационных данных, слова компонуются в блоки, называемые кадрами, — по 12 слов в каждом: по шесть для левого и для правого каналов. Частота следования кадров 7,35 кГц.

Следующий этап обработки записываемого сигнала — кодирование информации. По различным причинам, связанным с эксплуатацией компакт-дисков, возможно возникнове­ние ошибок при считывании. Введение специального кодирования позволяет обнаруживать такие ошибки и часто исправлять их, существенно повышая качество воспроизведения ау­диосигналов.

Первыми операциями являются разделение каждого слова данных на два байта и про­цедура перемежения этих байтов. Под перемежением понимается перестановка местами в определенном порядке участков цифрового сигнала, в результате которой он оказывается «разбросанным» по разным местам информационной дорожки компакт-диска. Это снижает вероятность того, что возникший в одном месте дефект воспроизведения заметно повлияет на фрагмент фонограммы. В процессе воспроизведения должна быть предусмотрена процедура деперемежения, т. е. обратного «сращивания» разбросанных байтов.

Следующая операция — кодирование с применением метода перекрестного контроля из­быточности (С//?С-кодер). В результате такого кодирования в поток данных вводится допол­нительная информация (проверочные биты), с помощью которой по специальному алгоритму можно обнаружить несоответствие, возникшее из-за ошибки, и устранить его. К каждому бло­ку данных, несущему аудиоинформацию, добавляется также управляющая информация, назы­ваемая субкодом. Последний также оформляется в блоки и содержит различные служебные сведения. В зависимости от структуры служебной информации различают восемь различных каналов субкода. Например, P-канал обеспечивает опознавание начала и конца фонограмм, g-канал содержит данные о номере музыкального фрагмента, продолжительности записи и ряде других параметров.

Последний этап обработки сигнала при записи — преобразование восьмиразрядных кодов в 14-разрядные канальные коды или £^Л/-модуляция (Eight-to-Fourteen Modulation). Одной из задач такого канального кодирования является устранение длинных последовательностей ну­лей или единиц в потоке двоичной информации, которые могут привести к сбоям синхрониза­ции и ошибкам при декодировании. Общее количество нулей и единиц в потоке становится приблизительно одинаковым, а плотность записи увеличивается. Происходит сдвиг спектра записываемого сигнала в более высокочастотную область, что снижает воздействие на него низкочастотных помех и шумов. После ^/чМ-преобразователя, сигналом которого модулиру­ется лазерный луч записывающего устройства, минимальный размер пита на дорожке ком - пакт-диска соответствует трем двоичным разрядам информационной последовательности.

Соответствие 8- и 14-битных кодов задается специальной таблицей преобразования, копия которой имеется в устройствах, осуществляющих обработку сигнала при воспроизведении.