Цифровое представление сигнала

В настоящее время разработаны совершенные системы магнитной записи, позволяющие в аналоговой форме регистрировать сигналы с весьма широкой полосой частот. Эти системы отвечают требованиям передачи частот действующего ТВ-стандарта (полоса 6,5 мГц). Если бы удалось в аналоговой системе исключить погрешности, связанные с движением носителя, то было бы меньше оснований для преобразования сигнала в цифровую форму.

В цифровых способах записи происходит подавление вредных эффектов, связанных с движением носителя и головок, которое объясняется природой преобразования сигнала.

В результате применения цифровых методов воспроизводится сигнал практически без искажений, детонации, шума, воспроизводимое изображение стабильное и четкое. Цифровые записи легче обрабатывать посредством программирования; их можно многократно копировать без потери качества. Такие записи лучше сохраняются.

Однако достоинства цифровой записи, возможность подавления вредных эффектов и соответственно повышение качества изображения связаны с большим расширением полосы частот, передаваемой системы записи (MD, DVD). Пропускная способность канала цифровой звуковой записи должна быть более, чем на порядок, выше по сравнению с аналоговой звукозаписью. Получается очень большой поток данных, который трудно как передать, так и записывать, поскольку требуются высокие скорости записи и большие значения информационной емкости носителя.

В последние 10—-15 лет разработаны эффективные способы компрессии (сжатия) цифровой информации, позволяющие во много раз сократить записываемый поток без ущерба или с очень малым ущербом для качества записи сигнала.

Электрический сигнал, отображающий передаваемое сообщение (речь, музыку и даже изображение), имеет аналоговый непрерывный вид. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой его последовательно подвергают трем преобразованиям:

¦ дискретизации исходного аналогового сигнала по времени;

¦ квантованию по уровням;

¦ кодированию.

.Дцскретизация — представление непрерывного по времени, аналогового сигнала дискретным. Технически дискретизация реализуется с помощью амплитудно-импульсного модулятора, на один вход которого подается аналоговый сигнал, а на второй — импульсы дискретизации.

В результате дискретизации непрерывный аналоговый сигнал заменяется на ряд очень коротких импульсовотсчетов, амплитуды которых равны значениям аналогового сигнала в дискретные моменты времени.

Собственно к аналого-цифровому преобразованию относятся операции квантования и кодирования сигнала, которые выполняются в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), представляющем собой отдельный модуль-интегральную микросхему (соответственно обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый выполняется цифро-аналоговым преобразователем — (ЦАП)).

Отсчеты, полученные в результате дискретизации, поступают на вход АЦП. Каждый отобранный импульс сравнивается с принятой шкалой дискретных уровней и округляется до ближайшего эталонного значения. Эта операция называется квантованием. Шкала дискретных уровней охватывает весь диапазон напряжений входного сигнала. Частоту дискретизации и число разрядов выбирают, исходя из требований, предъявляемых к воспроизводимому сигналу. При передаче через канал запись-воспроизведение цифрового аппарата звукового сигнала с динамическим диапазоном 80 ДБ требуемое число уровней квантования—214 (14 разрядов), при передаче диапазона 10 дБ — 21(16 разрядов).

Для того, чтобы выходной сигнал соответствует входному, требуется обеспечить не только заданную точность преобразования, но и соответствующую точность записи сигналов. Иными словами, для неискаженной передачи сигнала необходимо обеспечить его помехозащищенность. Для этого на заключительном этапе преобразования; аналогового сигнал в цифровую форму осуществляется кодирование.

Суть цифрового кодирования заключается в том, чтобы каждый квантованный уровень выражался определенной комбинацией двоичных цифр.

Под двоичной единицей или битом (от англ. bit-binary I digit — двоичная цифра), понимается цифра, для которой разрешены только два состояния: 0 и 1.

Двоичные числа в форме электрического сигнала отображаются токовыми (для двоичной единицы) или бестоковыми (для двоичного нуля) посылками. Двоичные числа, соответствующие одному циклу дискретизации, образуют кодовое слово или комбинацию. Таким образом, вместо записи импульса квантованного сигнала осуществляется запись закодированного числового значения этого импульса, соответствующего его амплитуде.