Вопрос 20

Виды сигналов

Сигнал определяется как напряжение или ток, который может быть передан как сообщение или как информация. По своей природе все сигналы являются аналоговыми, будь то сигнал постоянного или переменного тока , цифровой или импульсный. Тем не менее, принято делать различие между аналоговыми и цифровыми сигналами.

Цифровым сигналом называется сигнал, определённым образом обработанный и преобразованный в цифры. Обычно эти цифровые сигналы связаны с реальными аналоговыми сигналами, но иногда между ними и нет связи. В качестве примера можно привести передачу данных в локальных вычислительных сетях (LAN) или в других высокоскоростных сетях .

В случае цифровой обработки сигнала (ЦОС) аналоговый сигнал преобразуется в двоичную форму устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП получается двоичное представление аналогового сигнала, которое затем обрабатывается арифметическим цифровым сигнальным процессором (DSP). После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

Другой ключевой концепцией в определении сигнала является тот факт , что сигнал всегда несет некоторую информацию. Это ведет нас к ключевой проблеме обработки физических аналоговых сигналов - проблеме извлечения информации.

Цели обработки сигналов.

Главная цель обработки сигналов заключается в необходимости получения содержащейся в них информации. Эта информация обычно присутствует в амплитуде сигнала (абсолютной или относительной), в частоте или в спектральном составе, в фазе или в относительных временных зависимостях нескольких сигналов.

Как только желаемая информация будет извлечена из сигнала, она может быть использована различными способами. В некоторых случаях желательно переформатировать информацию, содержащуюся в сигнале.

В частности, изменение формата сигнала происходит при передаче звукового сигнала в телефонной системе с многоканальным доступом и частотным разделением (FDMA). В этом случае используются аналоговые методы, чтобы разместить несколько голосовых каналов в частотном спектре для передачи через радиорелейную станцию СВЧ диапазона, коаксиальный или оптоволоконный кабель.

В случае цифровой связи аналоговая звуковая информация сначала преобразуется в цифровую с использованием АЦП. Цифровая информация, представляющая индивидуальные звуковые каналы, мультиплексируется во времени (многоканальный доступ с временным разделением, TDMA) и передается по последовательной цифровой линии связи (как в ИКМ - системе).

Еще одна причина обработки сигналов заключается в сжатии полосы частот сигнала (без существенной потери информации) с последующим форматированием и передачей информации на пониженных скоростях, что позволяет сузить требуемую полосу пропускания канала . В высокоскоростных модемах и системах адаптивной импульсно - кодовой модуляции (ADPCM) широко используются алгоритмы устранения избыточности данных (сжатия), так же как и в цифровых системах мобильной связи , системах записи звука MPEG, в телевидении высокой четкости (HDTV).

Промышленные системы сбора данных и системы управления используют информацию, полученную от датчиков, для выработки соответствующих сигналов обратной связи, которые, в свою очередь, непосредственно управляют процессом. Обратите внимание, что эти системы требуют наличия как АЦП и ЦАП, так и датчиков, устройств нормализации сигнала (signal conditioners) и DSP (или микроконтроллеров).

В некоторых случаях в сигнале, содержащем информацию, присутствует шум, и основной целью является восстановление сигнала. Такие методы, как фильтрация, автокорреляция, свертка и т.д., часто используются для выполнения этой задачи и в аналоговой, и в цифровой областях.

Звук — это физическое природное явление, распространяющееся посредством колебаний воздуха и, следовательно, можно сказать, что мы имеем дело только с волновыми характеристиками. Задачей преобразования звука в электронный вид является повторение всех его этих самых волновых характеристик. Но электронный сигнал не является аналоговым, и может записываться посредством коротких дискретных значений. Пусть они имеют малый интервал между собой и практически неощутимы, на первый взгляд для человеческого уха, но мы должны всегда иметь в виду, что имеем дело только с эмуляцией природного явления именуемого звуком.

Такая запись именуется импульсно-кодовой модуляцией и являет собой последовательную запись дискретных значений. Разрядность устройства, исчисляемая в битах, говорит о том сколькими значениями одновременно в одном записанном дискрете, берется звук. Чем больше разрядность, тем больше звук соответствует оригиналу. 
Любой звуковой файл можно представить, чтобы Вам было наиболее понятно, как базу данных. Она имеет свою структуру, о параметрах которой указывается обычно вначале файла. Потом идет структурированный список значений по определенным полям. Иногда вместо значений стоят формулы, позволяющие уменьшать размер файла. Для того чтобы Вам было совсем понятно, скажу, что запись файла на жесткий диск подобна тому, как Вы набиваете таблицы в Microsoft Excel. Естественно данные файлы могут читать только специализированные программы, в которые заложен блок чтения. 

РСМ 

РСМ расшифровывается как pulse code modulation, что и является в переводе как импульсно-кодовая. Файлы именно с таким расширением встречаются довольно редко (я встречал только в программе 3D Audio). Но РСМ является основополагающей для всех звуковых файлов. Я бы не сказал, что это очень экономный метод для хранения данных на диске, но думаю, что от этого уже никогда точно не уйдешь, причем объемы современных винчестеров уже позволяют не обращать внимания на пару десятков мегабайт. 

DPCM 

Изыскания по поводу экономного хранения звуковых данных на диске. Если Вы встречаете данную аббревиатуру, то знайте, что имеете дело с разностным РСМ. В основе данного метода лежит та вполне оправданная идея, что вычисления гораздо более громоздки по сравнению с тем, что можно просто указать значения разности. 

АDPCM 

Адаптивный DPCM. Согласитесь, что при указании просто значений разности может возникнуть проблема с тем, что есть очень маленькие и очень большие значения. В результате, какие бы супер-точные измерения не были все равно имеет место искажение действительности. Поэтому в адаптивном методе добавлен коэффициэнт масштабируемости. 

WAV 

Самое простое хранилище дискретных даннных. Я бы сказал прямое. Один из типов файлов семейства RIFF. Помимо обычных дискретных значений, битности, количества каналов и значений уровней громкости в wav может быть указано еще множество параметров, о которых Вы, скорее всего, и не подозревали — это: метки позиций для синхронизации, общее количество дискретных значений, порядок воспроизведения различных частей звукового файла, а также есть место для того, чтобы Вы смогли разместить там текстовую информацию. 

RIFF 

Resource Interchange File Format. Уникальная система хранения любых структурированных данных. 

IFF 

Эта технология хранения данных проистекает от Amiga-систем. Interchange File Format. Почти то же, что и RIFF, только имеются некоторые нюансы. Начнем с того, что система Amiga — одна из первых, в которой стали задумываться о программно-сэмплерной эмуляции музыкальных инструментов. В результате, в данном файле звук делится на две части: то, что должно звучать вначале и элемент того, что идет за началом. В результате, звучит начало один раз, за тем повторяется второй кусок столько раз, сколько Вам нужно и нота может звучать бесконечно долго. 

MOD 

Файл хранит в себе короткий образец звука, который потом можно использовать в качестве шаблона для инструмента. Проще говоря прошитый в синтезатор сэмпл. 

AIF или AIFF 

Audio Interchange File Format. Данный формат распространен в системах Apple Macintosh и Silicon Graphics. Заключает в себе сочетание MOD и WAV. 

AIFС или AIFF-С 

Тот же AIFF, только с заданными параметрами сжатия (компрессии). 

AU 

Опять же та же гонка за экономией места. Структура файла намного проще, чем в wav, но там указан метод кодирования данных. Файлы очень мало «весят», за счет чего получили довольно широкое распространение в Интернете. Чаще всего Вы можете встретить параметры m-Law 8 кГц — моно. Но есть и 16-битные стерео-файлы с частотами 22050 и 44100 Гц. Это звуковой формат предназначен для работы со звуком в рабочих системах SUN, Linux и FreeBCD. 

MID 

Файл, хранящий в себе сообщения MIDI-системе, установленной на Вашем компьютере или в устройстве. 

МР3 

Самый скандальный формат за последнее время. Многие для объяснения параметров сжатия, которые в нем применяют, сравнивают его с jpeg для изображений. Там очень много наворотов в вычислениях, чего и не перечислишь, но коэффициэнт сжатия в 10-12 раз сказали о себе сами. Если говорят, что там есть качество, то могу сказать, что там его немного. Специалисты говорят о контурности звука как о самом большом недостатке данного формата. Действительно, если сравнивать музыку с изображением, то смысл остался, а мелкие нюансы ушли. Качество МР3 до сих пор вызывает много споров, но для «обычных немузыкальных» людей потери не ощутимы явно. 

VQF 

Хорошая альтернатива МР3, разве что менее распространенная. Есть и свои недостатки. Закодировать файл в VQF — процесс гораздо более долгий. К тому же, очень мало бесплатных программ, позволяющих работать с данным форматом файлов, что, собственно, и сказалось на его распространении. 

VOC 

Восьмибитный моно-формат от семейства SoundBlaster. Можно встретить в большом количестве старых программ, использующих звук (не музыкальных). 

НСОМ 

То же самое, что и VOC (восемь бит, моно), но только для Apple Macintosh. 

UL 

Стандартный формат U-Law. 8 кГц, 8 бит, моно. 

RA 

Real Audio или потоковая передача аудиоданных. Довольно распространенная система передачи звука в реальном времени через Интернет. Скорость пердачи порядка 1 Кб в секунду. Полученный звук обладает следующими параметрами: 8 или 16 бит и 8 или 11 кГц. 

SND 

Бывает двух видов. Один — это тот же AU для SUN и NeXT. Другой — это 8-мибитный моно-файл для РС и Маков с различной частотой дискретизации.

Не сжатые форматы

Проекты Audacity записываются в файлы в формате AUP, который наилучшим образом адаптированы для работы с программой Audacity. Формат позволяет записывать, по мимо цифрового представления звукового файла, служебную информацию для редактирования. В последствии вы можете импортировать ваш проект в любой формат.

Это основный формат звуковых файлов для операционной системе Windows.

Это основной формат звука для Макинтоша.

Сжатые форматы

Это основной аудио формат для компьютеров Sun и NeXT. Этот формат появился среди форматов со сжатием одним из первых и не обладает высокими характеристиками.

Формат популярен среди исследователей компьютерной музыки. Audacity может читать этот формат.

Это один из самых популярных форматов.С его помощью можно сжать информацию с коэффициентом 1:10. Формат является коммерческим.

Audacity может читать и записывать в этот формат.

Это новый формат сжатия, являющийся бесплатной альтернативой MP3. Качество записи этого формата при той компрессии выше, чем MP3. Audacity может читать и писать в этом формате.

Приведем один и тот же файл в разных форматах:

MIDI

Аббревиатура MID означает  "Цифровой интерфейс музыкальных инструментов" (Musical Instrument Digital Interface). Это скроре программа для управления встроенными синтезаторами, чем звуковой файл.

Спецификация MIDI позволяет создавать схожие звуки на различных устройствах, а также обмениваться данными между устройствами, имеющими этот интерфейс. 

Использование MIDI TRU следующее  В этом случае MIDI-информация с выхода 1-го устройства поступает на вход 2-го. Проходя через сквозной порт 2-го устройства, эта же информация поступает и на вход 3-го. Можно говорить, что устройство 1 контролирует устройства 2 и 3. Такая комбинация нескольких MIDI-инструментов (более 2-х) носит название "MIDI-система".