Анализ влияния фильтрации при первичном импульсно-кодовом преобразовании на искажения сигнала на входе кодеров с компрессией аудиоданных

В психоакустических моделях стандартов MPEG не учтены механизмы временной маскировки сигналов, пространственной демаскировки источников звука, составляющих стереопанораму как по фронту, так и по глубине, и особенности восприятия реверберационных составляющих стереофонических сигналов. Именно эти механизмы пространственного слуха играют наиболее важную роль при стереовоспроизведении, определяя восприятие основных признаков качества стереофонического звучания, таких как пространственное восприятие, прозрачность звучания, естественность и богатство тембров инструментов и голосов, восприятие акустической атмосферы первичного помещения (концертный зал, студия) и т. п. Это приводит к снижению качества звучания, которое отчетливо отмечается слушателями.

Однако необходимо учитывать, что цифровые аудиосигналы поступают на вход кодера с компрессией после импульсно-кодового (ИКМ) преобразования, при этом качество преобразования подразумевается идеальным. В ряде работ, например [1], показано влияние ошибок квантования на звучание аудиосигналов, записываемых или передаваемых с компрессией аудиоданных.

При цифровых методах звукозаписи, а также при организации цифрового звукового вещания существенное влияние на обеспечение высоких качественных показателей оказывают селективные устройства аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразований ИКМ.

Так, на входе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП) расположены фильтры нижних частот (ФНЧ), ограничивающие спектр входных частот и устраняющие высокочастотные составляющие выходного сигнала.

Подавление сигнала ФНЧ на частоте, равной половине частоты дискретизации, должно быть не менее 60 дБ. Крутизна ската ФНЧ получается при этом очень высокой, поэтому требуются фильтры высокого порядка. Но такие фильтры имеют значительные недостатки, главным из которых является нелинейная фазовая характеристика, что приводит к заметным на слух искажениям аудиосигналов, проявляющимся в потере прозрачности звучания.

В аудиотехнике наибольшее распространение получили фильтры Баттерворта и Чебышева.

Авторами были получены зависимости порядка ФНЧ Баттерворта N _b и Чебышева N _c от требуемого затухания A _min на граничной частоте полосы непропускания f _гр.п.н при допустимой неравномерности в полосе пропускания A _max = 0,5 дБ для типичных АЦП- случаев (рис. 1):

– для сигналов звукового вещания (ЗВ) по высшему классу качества ( f _в = 15 000 Гц, f _гр.п.н = 16 000Гц);

– для аудиосигналов при звукозаписи ( f _в = 20 000 Гц, f гр.п.н = 24 000 Гц).

Расчеты проводились в программной среде MathCAD.

Рис. 1. Зависимости порядка фильтров Баттерворта ( N _b )

и Чебышева ( N _c ) от A _min : ---- – для сигналов ЗВ;

– для случая звукозаписи

На основании графиков (см. рис. 1) можно сделать вывод, что для получения требуемого затухания 60 дБ на граничной частоте полосы непропускания в первом случае требуется фильтр примерно 124-го порядка, а во втором случае – более 42-го. Такие фильтры в аналоговой схемотехнике нереализуемы.

Расчеты также показывают, что при использовании для случая звукозаписи фильтров Чебышева и Баттерворта потребуются фильтры 12-го и 42-го порядка соответственно. Но в аналоговой схемотехнике реализуются фильтры не выше 6...8-го порядка.

В качестве критерия линейности фазовой характеристики может выступать изменение группового времени запаздывания τ _гр, которое нормируется рекомендациями МККР и МККТТ и отечественным стандартом ГОСТ 11515–91 для каналов звукового вещания. При этом следует отметить, что требования, предъявляемые к звукозаписывающей и звуковоспроизводящей аппаратуре, должны быть более жесткими, чем требования к каналам.

Авторами были получены зависимости группового времени запаздывания для фильтра Баттерворта 42-го порядка (рис. 2) и фильтра Чебышева 12-го порядка (рис. 3), где по оси абсцисс отложена нормированная частота w , причем w = l соответствует граничной частоте полосы пропускания.

Расчеты показывают, что неравномерность группово- го времени запаздывания в полосе пропускания достигает 40 мс для фильтра Баттерворта и 73 мс для фильтра Чебышева. Такая неравномерность существенно искажает первичный аудиосигнал, т. е. сигнал на входе фильтра.

Рис. 2. Зависимость группового времени запаздывания фильтра Баттерворта от нормированной частоты τ ( w ) и нормы τ _dop( w ) на допустимое запаздывание

Рис. 3. Зависимость группового времени запаздывания фильтра Чебышева от нормированной частоты τ ( w ) и нормы τ _dop( w ) на допустимое запаздывание

Известным методом решения данной проблемы является использование ИКМ-кодеров (декодеров), в которых АЦП (ЦАП) работают на повышенной частоте, что позволяет значительно снизить требования к крутизне ската и, соответственно, к порядку аналогового ФНЧ, осуществляющего предварительную фильтрацию первичного сигнала. При таком методе основное затухание на граничной частоте полосы не-пропускания обеспечивается цифровым фильтром.

При выборе структуры цифрового фильтра предпочтение следует отдать нерекурсивным фильтрам. Основным преимуществом таких фильтров является возможность получения линейной фазочастотной характеристики. В этом случае при определении требований и порядка аналогового ФНЧ наряду с предварительной фильтрацией необходимо ориентироваться на обеспечение требуемой неравномерности группового времени запаздывания в полосе пропускания фильтра (рис. 4, 5).

Для нерекурсивных фильтров Баттерворта неравномерность в полосе пропускания не превышает 3,5 мс для фильтра 8-го порядка [2]. При этом обеспечивается рабочее затухание на граничной частоте полосы непропуска-ния A _pmin= 5 дБ для условий цифровой передачи сигналов звукового вещания и A _pmin = 13 дБ для случая цифровой звукозаписи.

Для ФНЧ Чебышева возможно использование фильтров 6-го порядка, у которых неравномерность по групповому времени запаздывания в полосе пропускания не превышает 11 мс, что с учетом свойств человеческого слуха вполне приемлемо. Кроме того, в этом ФНЧ практически вы- полняются требования ГОСТ 11515–91. При этом ФНЧ обес-

Рис. 4. Зависимость группового времени запаздывания от нормированной частоты wв = 1 для ФНЧ Баттерворта

Рис. 5. Зависимость группового времени запаздывания от нормированной частоты w _в = 1 для ФНЧ Чебышева 2-го ( τ 1( w )), 4-го ( τ 2( w )), 6-го ( τ 3( w )) и 8-го ( τ 4( w )) порядков

Таким образом, улучшить качественные показатели воспроизводимых сигналов при цифровой передаче сигналов звукового вещания и цифровой записи в кодерах с компрессией аудиоданных, помимо совершенствования самих алгоритмов компрессии, можно также и за счет уменьшения влияния первичного ИКМ-преобразования.

Одним из факторов, от которых зависит качество этого преобразования, является наличие селективных устройств (аналоговых и цифровых ФНЧ), у которых групповое время распространения зависит от частоты. Использование нерекурсивных цифровых фильтров позволяет не рассматривать их влияние на групповую задержку сигнала ввиду возможности получения линейной фазочастотной характеристики.

Авторами получены зависимости группового времени запаздывания от частоты для аналоговых ФНЧ Баттерворта и Чебышева, осуществляющих предварительную фильтрацию в ИКМ-преобразователях. Приведены рекомендации по выбору аналоговых ФНЧ в соответствии с требованиями ГОСТ 11515–91 для электрического канала звукового вещания по допустимому групповому времени запаздывания.