Файл: Галяшина Е.И. Основы судебного речеведения.doc

АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ

разователя получается довольно высоким, применяется метод формовки шума (noise shaping) через схемы обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате применения этого метода форма спектра шума меняется так, что основная шу­мовая энергия вытесняется в область выше половины частоты Fs, незначительная часть остается в нижней половине, и практичес­ки весь шум удаляется из полосы исходного аналогового сигнала.

ЦАП в основном строятся по трем принципам:

• взвешивающие — с суммированием взвешенных токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую вели­чину получаемого аналогового сигнала; такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit);

• сигма-дельта, с предварительной цифровой передискре­тизацией и выдачей малоразрядных (обычно однобитовых) зна­чений на схему формирования эталонного заряда, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу. Такие ЦАП носят также название bitstream;

• с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, Pulse Width Modulation, PWM), когда на схему выборки-хранения аналого­вого сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и пе­ременной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда. На этом принципе работают преобразователи MASH (Multi-stAge Noise Shaping — многостадийная формовка шума) фирмы Matsushita. Свое название эти ЦАП получили по причине применения в них нескольких последовательных фор­мирователей шума.

При использовании передискретизации в десятки раз стано­вится возможным уменьшить разрядность ЦАП без ощутимой потери качества сигнала; ЦАП с меньшим числом разрядов об­ладают также лучшей линейностью. В пределе количество раз­рядов может сокращаться до одного. Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочастотного шума, который, тем не менее, эффективно подавляется аналоговым фильтром даже среднего качества.

ЦАП являются «прямыми» устройствами, в которых преоб­разование выполняется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве своем — последовательные и более медленные устройства.

На платах мультимедийных звуковых адаптеров обязательно присутствует блок синтезатора (MIDI блок). Он позволяет син­тезировать звучание музыкальных инструментов, превращая нотную запись в аудио потоки. Обычно воспроизводятся MIDI файлы, в которых записана партитура (нотная запись) оркест­рового произведения. MIDI файлы в тысячу раз меньше обыч­ных PCM файлов.

Параметрами MIDI блока является число аппаратно и про­граммно синтезируемых голосов инструментов (полифония). MIDI блок современных адаптеров может иметь, например, 64 аппаратных голоса и 512 программных. В принципе доста­точно 64-голосой полифонии, так как лишь избранные слуша­тели могут различать большее число голосов.

Для наложения эффектов (изменение звучания инструмен­тов для придания большей выразительности) MIDI блок ис­пользует эффект процессор. Хотя эффекты могут накладывать­ся на любые потоки, впервые они возникли в MIDI. Поэтому и возможности наложения эффектов часто приводят как MIDI параметры.

Он построен либо на базе микросхем FM-синтеза, либо на базе микросхем WT-синтеза, либо того и другого вместе. Рабо­тает либо под управлением драйвера (FM, большинство WT) — программная реализация MIDI, либо под управлением собст­венного процессора — аппаратная реализация. Имеется также блок MPU, который осуществляет прием и передачу данных по внешнему MIDI-интерфейсу, выведенному на разъем MIDI/ Joystick и разъем для дочерних MIDI-плат.

Следующий блок звукового адаптера — процессор потоков. Блок управляет цифровой обработкой звуковых потоков. В чис­ле функций обработки: микширование/расщепление потоков, регулировка их громкости, баланс стерео, маршрутизация пото­ков, т. е. направление их в блоки дополнительной обработки и прием обработанных потоков.

Параметром процессора потоков является число одновре­менно аппаратно ускоряемых потоков, однако само число не столь существенно для выбора, главное — сам факт такого уско­рения. Заметим, что если приложению не хватает аппаратных потоков, то DirectSound предусматривает добавление неограни­ченного числа программно-обрабатываемых потоков (хватило бы мощности центрального процессора). «Многопоточность»

154 160

АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ

используется, например, в играх, а также при монтаже несколь­ких записей.

В дочерних музыкальных платах основными блоками явля­ются собственно музыкальный синтезатор и блок MIDI-ин­терфейса, через который плата получает MIDI-сообщения от основного звукового адаптера.

В цифровой магнитной звукозаписи принято, что динамиче­ский диапазон в 110 дБ позволяет без искажений преобразовы­вать любой самый сложный акустический сигнал. Этот диапа­зон можно получить, используя 18—20 разрядный АЦП/ЦАП. Однако использование такого устройства потребует резкого увеличения скорости передачи данных, большого объема нако­пителя информации, да и конструктивная реализация его чрез­вычайно сложна. До недавних пор технически эта задача не была реализована. Сегодня несколько отечественных фирм, напри­мер «Инструментальные системы» (г. Москва), производят 18—24-разрядные АЦП на уровне лучших мировых образцов по цене менее тысячи долларов.

Частота дискретизации при цифровой обработке звука обычно равна 44,1, 48 кГц, но для звука непритязательного ка­чества используются еще их более низкие кратные производные (22,5 кГц и др.). 48 кГц является стандартной для компьютерного аудио, цифровых интерфейсов, DVD-аудио, и ей нужно отдавать предпочтение (если только файл не является копией аудиотрека). В настоящее время большинство современных бытовых и про­фессиональных звуковых адаптеров изготавливают 24-разрядны­ми и с частотами дискретизации 192 кГц (стандарт DVD-audio).

Особенность музыкальных звуковых карт — качество ЦАП в них обычно выше, чем у АЦП (примерно на 2—10 дБ), и раз­рядность ЦАП (воспроизведение) всегда не меньше, чем АЦП (запись). Например, часто АЦП 18-разрядный, а ЦАП 20-раз­рядный. Важно отметить, что именно ЦАП определяет в основ­ном чистоту звучания адаптера. Вместе с тем, относительная стоимость ЦАП/АЦП в адаптере невелика. Первоначально при создании АРМ эксперта-фоноскописта для проведения крими­налистических исследований речи в качестве основы были вы­браны 16-разрядные АЦП/ЦАП со свободным динамическим диапазоном (иначе тот диапазон, в котором реально можно ра­ботать без искажения сигнала) свыше 80 дБ. Такое устройство позволяет практически без искажений оцифровывать звуковой

сигнал. Кроме того, в некоторых случаях для визуализации кри­миналистических признаков речи можно было использовать даже 12-разрядные устройства с динамическим диапазоном около 70 дБ (на уровне аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса). Использовать 8—10-разрядные АЦП при исследованиях речевых сигналов вообще не рекомен­дуется.

В настоящее время за рубежом производится большое коли­чество устройств АЦП/ЦАП бытового назначения. Раньше такие устройства обычно имели разрешение 8 или 16 бит. Сейчас вы­пускаются только 16-битовые устройства и устройства с более высоким разрешением (до 24 бит). Они часто оборудованы сиг­нальным процессором (ASP, DSP) и позволяют производить за­пись сигналов с частотой дискретизации до 48 Кгц (1—2 канала). Причем подавляющее их число имеет низкую стоимость (до 100 долларов). Однако они предназначены для использования ис­ключительно в бытовых компьютерных системах «мультимедиа» и не являются средствами измерения. Зарубежные специализиро­ванные АЦП/ЦАП для обработки речи стоят несколько тысяч долларов (например, изделия фирмы «Data Translation», США). На отечественном рынке в настоящее время имеется несколько высококачественных 16-разрядных устройств АЦП/ЦАП, пред­назначенных для использования в составе станций по обработ­ке музыкальных фонограмм (например, изделия фирмы «Диги- тон», г. С-Петербург).

Из специализированных отечественных плат для обработки речевых и иных акустических сигналов следует отметить изде­лия Центра речевых технологий (г. С-Петербург) и фирмы «Ин­струментальные системы» г. Москва. Это большая группа 12 и 16-разрядных устройств с числом входных каналов от двух (ЦРТ) до 16—18 («ИнСис»). Центр речевых технологий произ­водит две модели АЦП/ЦАП — 12-разрядную плату STC-H106 и STC-H118 «Икар» — 16-разрядная. Частота дискретизации — до 48 кГц. Перспективная плата «Икар» создана на базе микро­схемы AD1848 фирмы «Analog Devices» (США) и имеет для пер­вой серии устройств отношение сигнал/шум 75 дБ, коэффици­ент нелинейных искажений 0,05% и неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 1 дБ.

Фирма «Инструментальные системы» производит несколько серий изделий международного уровня. Это 12, 14, 16 и 18-раз-

154 162

АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ

рядные инструментальные (многофункциональные) платы АЦП/ЦАП — изделия серии ADC (более дешевые устройства) и ADS12-18 (улучшенные изделия). Они предназначены для вво­да аналогового сигнала в ПЭВМ с частотой квантования от 200 кГц до 40 мГц. Динамический диапазон — более 70—80 дБ для 12-разрядных изделий (на основе интегральных схем AD1671 и AD7547 фирмы «Analog Devices») и 92 дБ для 16-раз­рядных (на основе микросхем фирмы «Burr-Brown», США). Платы могут работать совместно с модулем цифровой обработ­ки сигнала (сигнальный процессор) семейства DSP через сов­местную шину данных или через унифицированный интерфейс InSys-Link. Аналогичную шину данных имеют электронные платы фирмы ЦРТ. Платы серии ADS предназначены для про­фессиональной обработки звука. Наиболее совершенная из них марки ADS18x48 (на основе кристаллов фирмы «ADI») имеет 18-разрядный 4-канальный модуль ввода (АЦП) и 2-канальный 16-разрядный модуль вывода аудиосигналов (ЦАП). Частота дискретизации 48 кГц и свободный динамический диапазон бо­лее 100 дБ. Встроенные антиэлайзинговые фильтры имеют кру­тизну 140 дБ/окт. Имеются собственные средства самотестиро­вания и интерфейс связи с сигнальным процессором. Кроме двухканального стереоввода сигнала в ПЭВМ, плату можно ис­пользовать в качестве 4-канального анализатора спектра для технического исследования фонограмм (фирма имеет необхо­димые для этого программные продукты). Высокие техничес­кие характеристики данных электронных плат ставят их в один ряд с наиболее совершенными зарубежными изделиями. Фир­ма «ИнСис» также выпускает специализированные 2-каналь- ные цифровые осциллографы на базе ПЭВМ с измерительной полосой 50 мГц на канал (АЦП 8 разрядов, 150 мГц), с памятью данных на 128 Кслов на канал и интерфейсом InSys-Link.

В паспорте АЦП/ЦАП фирма-производитель обязательно должна указывать основные метрологические параметры изде­лия, такие, как полный коэффициент гармоник, отношение сигнал/шум, неравномерность АЧХ в полосе пропускания, реальный динамический диапазон, уровень проникновения сигнала из канала в канал (для двухканальных устройств), коли­чество эффективных разрядов. Последнее обстоятельство свя­зано с тем, что даже в самых дорогих и высококлассных АЦП, например, в 18-разрядном АЦП фирмы «ИнСис», реально

задействовано всего (максимально достижимая цифра) 16,5 эф­фективных разрядов. Аналогичная картина для 12 и 16-разряд­ных изделий. Проблема указания фирмой в паспорте изделия основных статических, а главное — динамических характерис­тик объясняется тем, что существующие в настоящее время стандарты (напр., ГОСТ 2436-81 «Преобразователи интеграль­ные. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые. Основные параметры» и ГОСТ 8.009-84 «Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений») не регла­ментируют метрологическую поверку динамических парамет­ров АЦП/ЦАП. Поэтому такими фирмами, как «ИнСис», «Центр АЦП» (АОЗТ «Руднев-Шиляев», г. Москва) и рядом других проводятся собственные работы по созданию своих ме­тодик тестирования электронных плат. Эти фирмы также про­водят тестирование изделий на заказ, в том числе иностранных.

Как уже указывалось выше, цифровая обработка сигналов требует выполнения громадного количества математических операций. Особенностью применяемых для обработки сигна­лов алгоритмов является то, что многие из них требуют посто­янного выполнения сложных для компьютера математических операций, таких, как умножение и накопление сигнала. К тако­го рода алгоритмам в первую очередь относятся: быстрое преоб­разование Фурье, различные векторные и матричные операции, разного рода кодирование сигнала, корреляции и цифровая фильтрация оцифрованных сигналов, реализация алгоритмов сжатия сигнала. Для того, чтобы разгрузить при цифровой обра­ботки сигналов центральный процессор компьютера, разработа­ны высокоэффективные специальные устройства, в которых в единое целое объединены умножитель и сумматор-накопитель. Такого рода устройства называются сигнальными процессорами. Причем, эти устройства выполняют вышеперечисленные опера­ции умножения и накопления за один такт, и при этом собст­венно умножитель аппаратно встраивается в кристалл. Кроме того, для сигнальных процессоров разработана специальная си­стема команд, которая позволяет объединять выполнение не­скольких операций. Возможна также параллельная работа не­скольких электронных плат сигнальных процессоров. Для дополнительного увеличения скорости выполнения математиче­ских операций сигнальные процессоры имеют независимые ши­ны данных и команд, причем как внутренние (в самом сигналь­

164

154 164

АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

ном процессоре), так и внешние (между АЦП/ЦАП и платой сигнального процессора).

Таким образом, сигнальные процессоры представляют собой реальную однокристальную микро-ЭВМ, которая по со­ответствующему алгоритму, находящемуся во встроенной па­мяти кристалла, проводит обработку оцифрованного сигнала и в которой реализована возможность быстро проводить специ­фические, наиболее сложные для реализации математические операции. Программы обработки не «вшиваются» намертво в кристалл, а могут меняться. К преимуществам таких процес­соров следует отнести их высокую производительность, простоту подсоединения плат ускорителей с АЦП, модульность, нара­щиваемость, то есть возможность соединения нескольких сиг­нальных процессоров в единый комплекс, более простое мат­обеспечение.

Точность представления сигнала зависит от разрядности ис­пользуемого АЦП, а процесс разбиения сигнала на отсчеты но­сит название дискретизацией. Число отсчетов в секунду назы­вается частотой дискретизации. При оцифровке происходит округление сигнала до разряда АЦП. Такой процесс называют квантованием сигнала (то есть представление сигнала с помощью конечного числа числовых разрядов). Операция квантования (или переход от дискретного сигнала к цифровому) происходит с ошибкой, величина которой определяется разрядностью АЦП. Разрешение таких устройств обычно выражается «весом» единицы младшего разряда (ЕМР). Диапазон, в котором сохра­няется линейная зависимость между величиной входного сиг­нала и его оцифрованного значения, называется динамическим диапазоном и определяется в децибелах. Динамический диапа­зон преобразования определяется числом уровней квантования (N) и числом двоичных разрядов АЦП.

Однако реальный динамический диапазон далек от теорети­ческого — он может быть ниже теоретического на большую величину (до 10—20 дБ), что соответствует АЦП более низко­го разряда. Такое снижение динамического диапазона объ­ясняется уровнем собственных шумов АЦП и ЦАП и зависит от многих величин. Во-первых, — от разрядности изделия. Ею обусловлены так называемые «шумы квантования». Во-вто­рых, — от собственных помех изделия и зависящих от использу­емой элементной базы шумов электронных компонентов АЦП

(не правильно соединенные сигнальные, аналоговые и цифро­вые компоненты, взаимное влияние аналоговой части на циф­ровую и т. п.). В-третьих, — от наводок от других элементов комплекса, например, ПЭВМ, монитора. В-четвертых, влияют помехи от источника питания. Все импульсные источники пи­тания создают синфазные помехи, могут наблюдаться импульс­ные помехи и т. д.

Уровень шумовых искажений, вносимых временной дискре­тизацией и амплитудным квантованием сигнала, в общем виде равен:

6N + 10 lg ^д_ис1ф^_макс) + C (дБ),

где константа C варьируется для разных типов сигналов. На­пример, для чистой синусоиды она равна 1,7 дБ, а для реальных звуковых сигналов может достигать 2 дБ. То есть к снижению шумов в рабочей полосе частот от 0 до F^ приводит не только увеличение разрядности отсчета, но и повышение частоты дис­кретизации относительно 2F_макс, поскольку шумы квантования «размазываются» по всей полосе вплоть до частоты дискретиза­ции, а звуковая информация занимает только нижнюю часть этой полосы.

11. Акустические системы

Остановимся на другом важнейшем элементе АРМ экспер- та-речеведа — это акустические системы. От качества данных систем во многом зависит успешная работа специалиста по прослушиванию звучащей речи.

Обычно акустической системой (АС) называется громкого­воритель, предназначенный для использования в качестве функционального звена в бытовой радиоэлектронной аппарату­ре. Под АС понимается устройство для излучения звука в окру­жающее пространство, содержащее одну или несколько головок громкоговорителей, при наличии акустического оформления и дополнительных электрических устройств. Головкой громкого­ворителя (ГГ) называется пассивный электроакустический пре­образователь, предназначенный для преобразования электри­ческой формы сигналов звуковой частоты в акустическую.

В соответствии с определением МЭК 50 (801), термин «гром­коговоритель» может применяться как к акустической системе, так и к одиночному громкоговорителю, который в отечественных

166

167

АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

стандартах называется головкой громкоговорителя. Однако в технической литературе термин громкоговоритель обычно при­меняется к одиночным громкоговорителям, а многополосные системы, в зависимости от их назначения, называются акусти­ческой системой.

Классификация ГГ может быть проведена по различным признакам. Основные из них: принцип действия, способ транс­формации акустической энергии, полоса передаваемых частот, форма диафрагмы, тип акустического оформления, область применения.

По принципу действия (по способу преобразования элект­рической формы сигнала в акустическую) громкоговорители делятся на электродинамические, электростатические, пьезо- керамические, ионные и др.

Наибольшее распространение получили электродинамичес­кие ГГ. Реализуются, в зависимости от формы проводника, в трех вариантах: катушечном, ленточном, изодинамическом. Преобразование энергии в катушечном ГГ основано на взаимо­действии проводника с током звуковой катушки и поля посто­янного магнита. В результате электрические колебания сигнала звуковой частоты проводника преобразуются в механические колебания диафрагмы головки громкоговорителя.

По способу трансформации акустической энергии громко­говорители делятся на ГГ прямого излучения, у которых по­верхность диафрагмы излучает звук непосредственно в окружа­ющую среду, и рупорные ГГ (узкогорлые), у которых диафрагма излучает звук в предрупорную камеру, где происходит транс­формация скорости звукового давления. Громкоговорители, в зависимости от частотной области применения, называются низко-, средне- или высокочастотными. По форме диафрагмы ГГ делятся на конусные, купольные, плоские.

Наибольшее распространение получили электродинамичес­кие катушечные конусные (диффузорные) или купольные ГГ прямого излучения.

В связи с тем, что очень трудно создать головку громкогово­рителя, которая бы воспроизводила звуки в широком диапазо­не частот (и низкие, и высокие) с минимальными искажения­ми, поэтому объединяют несколько ГГ в акустические агрегаты, обычно называемые акустическими системами. В акустических системах (АС) обычно используется многополосный принцип

построения, т. е. весь воспроизводимый диапазон частот под­разделяется на несколько частотных поддиапазонов, каждый из которых воспроизводится своим громкоговорителем. В отече­ственных АС высшей категории и зарубежных типа Hi-End обычно используются три частотных поддиапазона. Это обус­ловлено тем, что применение одного широкополосного гром­коговорителя не позволяет обеспечить равномерность АЧХ аку­стической мощности в полном диапазоне частот и снизить уровень искажений. В более простых АС других классов приме­няют одно- или двухполосный принцип построения. В настоя­щее время большинство зарубежных АС класса Hi-Fi изготав­ливаются по двухполосной схеме.

Для двухполосных систем частоту раздела звукового сигнала выбирают в диапазоне от 2000 до 4000 Гц. Для трехполосных АС полосы раздела выбираются в диапазонах 200—500 Гц и 3000—5000 Гц.

Акустические системы классифицируют:

• по виду акустического оформления (закрытый корпус, корпус с фазоинвертором, плоский экран и т. д.);

• по форме корпуса (параллелепипед, сфера, куб и т. д.);

• по конструктивному исполнению (настенные, наполь­ные, встроенные);

• по числу каналов разделения по частотам (однополосные, многополосные);

• по группам сложности (нулевая, высшая, первая, вторая) для отечественных АС;

• по внутреннему объему.

Акустические системы бывают пассивными и активными. В активных АС имеется встроенный усилитель сигналов. Такие АС обычно используются в компьютерных системах мультимедиа.

Приведем основные электроакустические и технические ха­рактеристики АС, значимые для результатов прослушивания звучащей речи.

Важнейшим параметром АС является их мощность. Однако существует несколько параметров, описывающих мощность АС и громкоговорителей, содержащихся в них. Был введен новый отраслевой стандарт — ОСТ 4.383.001-85 «Головки громкогово­рителей динамические. Общие технические условия». Основ­ным параметром стандарта принята шумовая мощность, а не номинальная, как было прежде.

168

167