Дизеринг

Разрядность

Напомним, что преобразование аналогового сигнала в цифровой поток данных происходит в два этапа. Первый этап - это дискретизация сигнала на основе теоремы Котельникова с использованием повышенной частоты дискретизации. Второй этап - это квантование амплитуды дискретных отсчетов, полученных на первом этапе. Представим себе, что отсчет представляет собой некий столбик или полоску, наподобие той, что мы видим на студийном индикаторе уровня сигнала. Длина этой полоски и есть амплитуда сигнала в данном отсчете. Процесс квантования амплитуды тогда можно представить как измерение длины полоски с помощью линейки. Чем чаще идут метки на линейке, тем точнее мы можем измерить длину полоски (амплитуду) и тем меньше будут ошибки измерений (шумы квантования). Однако, чем чаще расположены метки на линейке - тем больше цифр (бит) нам потребуется для записи числа, соответствующего измеренной нами длине полоски (амплитуде сигнала в отсчете). Например, если на линейке 32 метки, то для представления длины полоски (амплитуды) в виде числа понадобится максимум 5 бит (32=2⁵). В данном случае 5 бит и будет разрядностью АЦП.

Таким образом, процесс квантования амплитуд отсчетов фактически заключается в измерении их величин по отношению к некоторому опорному источнику напряжения (линейка в предыдущих объяснениях), обычно имеющемуся внутри корпуса микросхемы АЦП, и выражении этих величин в виде чисел, состоящих из конечного числа бит. Причем числа могут быть не только целые, например 16-, 18-, 20-, 24-битные, но и 24- или 32-битные с плавающей запятой или с другой кодировкой (например, в кодах с исправлением ошибок), зависящей от конкретной реализации устройства АЦП. Довольно часто используется все же кодирование результатов измерения амплитуд отсчетов в виде целых чисел.

В обычном АЦП число бит на один отсчет (разрядность числа) выходного цифрового потока данных непосредственно с квантователя амплитуд дискретов и на выходе всего АЦП равны, так как числа с квантователя амплитуд поступают непосредственно на выход устройства. Однако, квантователь АЦП не обязательно должен иметь высокую разрядность для того, чтобы выходной поток цифровых данных АЦП имел таковую. Увеличение эффективной разрядности АЦП может быть достигнуто использованием метода увеличения частоты дискретизации (oversampling) и цифровой фильтрации.

Поскольку реальные музыкальные сигналы далеки от белого шума, то при их оцифровке шумы квантования оказываются зависимыми от сигнала. Человеческое слуховое восприятие четко реагирует на это возникновением ощущения "грязного" звука. Особенно ярко этот эффект проявляется для 8-битных сигналов. Другими словами, если обычный 16-битный сигнал уменьшится по громкости на 48 дБ (на 8 бит) от своего номинального уровня, то он станет "грязным" и непригодным для прослушивания. С этим, я думаю, согласятся все - кто же сейчас будет слушать восьмибитный звук?! То есть, вместо отношения сигнал/шум 96 дБ для обычного 16-битного сигнала реальный динамический диапазон из-за эффекта зависимости шумов квантования от сигнала составляет всего 48 дБ!

То есть, чтобы 16-битная запись звучала чисто, необходимо предотвратить понижение уровня сигнала: он не должен становиться фактически 8-битным. Получается, что исходный музыкальный материал должен быть скомпресcирован тем или иным способом с целью уменьшения его динамического диапазона и предотвращения грязного звучания на слишком маленьких уровнях. Однако, сжатие динамического диапазона исходного музыкального материала, достигающего порой 100 и более дБ (например, для электрогитары), на 48 и более дБ без заметных на слух искажений представляется крайне сложной (если вообще выполнимой) задачей. А иногда и художественное содержание музыкального произведения требует чередования громких и очень тихих звуков и, следовательно, искусственное сжатие динамического диапазона неприемлемо. В таких случаях применяется дизеринг (dithering), позволяющий частично "обменять" эффект грязного звучания на незначительное увеличения высокочастотного шума.

Метод дизеринга заключается в добавлении небольшого шумового (обычно высокочастотного) сигнала во входной сигнал АЦП или уже к цифровому сигналу в момент понижения разрядности (например, с 20 и более бит исходного музыкального материала до 16 бит для записи на компакт диск). Это приводит к независимости шумов квантования и сигнала, однако общий уровень шумов немного возрастает.