Запись голоса через микрофон на компьютер (стр. 9 из 18)
Рассматривая требования к АЦП и ЦАП звуковой карты, мы уже коснулись двух проблем: борьбы с искажениями и борьбы с шумами. Эти проблемы тесно связаны друг с другом.
Конечно, природа искажений многообразна. В тракте запись-передача-воспроизведение звук подвергается амплитудным, частотным, фазовым и нелинейным искажениям. Сейчас речь пойдет о компрессии динамического диапазона сигнала, как о способе борьбы с нелинейными искажениями, вызванными ограничением амплитуды звуковых колебаний из-за перегрузки элементов звукового тракта. Причина возникновения таких искажений заключается в несоответствии динамических диапазонов звукового сигнала и аппаратуры, по которой этот сигнал проходит. Если бы звуковой сигнал можно было заранее проанализировать, выявить те фрагменты, где он достигает максимумов, то, в принципе, перегрузку тракта можно было бы исключить. Для этого достаточно было бы так отрегулировать уровень сигнала, поступающего, например, от микрофона, чтобы даже пиковые его уровни находились в пределах динамического диапазона. Правда, здесь имеется сразу два «но».
Во-первых, нужно заранее знать закон изменения уровня громкости сигнала, что возможно только после предварительной его записи. Но записанный сигнал уже будет с одержать искажения, вызванные той самой перегрузкой, с которой мы хотим бороться... Хорошо, тогда можно уменьшить уровень
записи так, чтобы даже при самых сильных «всплесках» громкости не происходило бы перегрузки. Вот здесь-то и появляется второе «но». Но тогда большая часть записи будет слишком тихой, настолько тихой, что самые слабые звуки просто не будут слышны, они сольются с шумами электронных приборов и носителя записи сигнала. Именно здесь и пересекаются проблемы борьбы с шумами и перегрузками.
За много лет до того, как впервые прозвучало словосочетание «звуковая карта», аналогичные проблемы были вынуждены решать разработчики магнитофонов, аппаратуры озвучивания кинофильмов, а затем и вообще звуко-усилительных устройств студий и концертных залов. В результате настойчивых изысканий было предложено несколько способов решения проблемы, которые отличаются деталями, но имеют общую сущность. Идея очень проста, и может быть выражена буквально одной фразой: для того чтобы не происходило ни перегрузки тракта сильными сигналами, ни маскирования слабых сигналов шумами, следует слабые сигналы усиливать, а сильные ослаблять, т. е. сужать динамический диапазон.
Сужение динамического диапазона перед записью сигнала обеспечивает прибор, называемый компандером. При воспроизведении записи для восстановления прежнего динамического диапазона используют прибор, носящий название экспандер.
В рамках общей идеи шумоподавления придумано много конкретных методов и устройств, отличающихся друг от друга деталями. Некоторые методы предполагают деление всего спектра сигнала на несколько диапазонов и раздельную регулировку уровня различных спектральных составляющих. Методы отличаются и алгоритмами вычисления пороговых уровней, после сравнения с которыми вырабатывается решение о том или ином преобразовании сигнала.
Так, например, наиболее распространенная система шумопонижения типа Dolby А позволяет существенно улучшить эффективность магнитных и оптических носителей аналоговых записей и систем связи, служащих для передачи звуковых программ [78]. Система Dolby А основана на принципе компан-дирования, но только для сигналов низкого уровня и раздельно в четырех частотных поддиапазонах. В каждом из поддиапазонов определяется общий уровень частотных составляющих сигнала. Если он оказывается ниже порогового значения, то в процессе записи сигнал усиливается, а при воспроизведении, наоборот,ослабляется.
Система Dolby А базируется на полученном экспериментально так называемом спектральном окне аналоговой ленты. Вид спектрального окна представлен на рис. 1.25.
По сути, на рисунке наглядно представлена область допустимых значений уровней спектральных составляющих звукового сигнала в зависимости от их частот. Закрашенная область в нижней части рисунка соответствует собственным
Рис. 1.25. Спектральное окно аналоговой магнитной ленты
шумам ленты. Закрашенная область в верхней части рисунка — область значительных нелинейных искажений. При записи сигнала, используя систему шумоподавления, следует стремиться к тому, чтобы значения спектральных составляющих находились в незакрашенной области рисунка.
Поскольку ныне применяются цифровые носители записи, практически свободные от того, что принято называть собственными шумами, изменяются и подходы к шумоподавлению. На первый план теперь выдвигаются ограничения, обусловленные не свойствами материала носителя записи, а особенностями слухового аппарата человека. Новая система шумопонижения Dolby SR, основанная на так называемом принципе наименьшего воздействия, учитывает не только спектральное окно носителя, но и окно слышимости человека, представленное на рис. 1.26.
Верхняя граница окна соответствует оглушительному звуку, соседствующему с болевым ощущением. Нижняя граница определяется порогом слышимости.
Алгоритмы обработки звука строятся с таким расчетом, чтобы максимально ослабить те шумы, которые попадают в окно слышимости, и игнорировать шумы, которые не слышны человеку.
В условиях студийной звукозаписи непосредственно с микрофона сигнал попадает в устройства обработки, ограничивающие его динамический диапазон. Поэтому перегрузка элементов звукового тракта практически исключена.
Если микрофон подключен ко входу звуковой.карты, то она оказывается совершенно незащищенной от опасности перегрузки. Делать нечего. Остается только воспитывать исполнителей, не устанавливать микрофон слишком близко к источнику звука и занижать уровень входного сигнала регулятором микшера.
Утешает только то, что звуковой редактор Cool Edit, который будет рассмотрен в гл. 2, в определенной степени позволит снизить зафиксированные в записи искажения. Дело в том, что в нем программно реализованы такие совершенные методы обработки сигнала (в частности сжатия динамического диапазона и шумоподавления), какими располагают далеко не все специализированные электронные устройства. Например, при наличии резких выбросов сигнала, вызванных импульсными помехами или случайными перегрузками микрофона, программа поможет вам заранее обнаружить эти аномалии и либо удалить их, либо плавно изменить уровень сигнала в районе выброса. Вы будете иметь возможность произвольно измененять мышью амплитудную характеристику компрессора динамического диапазона. Участки фонограммы, свободные от записи полезного сигнала, можно будет заменить «абсолютной тишиной». Кроме того, используя алгоритмы спектральных преобразований с целью снижения заметности шумов, вы сможете на практике использовать информацию о спектральных окнах, приведенных на рис. 1.25 и 1.26.
1.2.7. Фильтрация
Если в двух словах попытаться дать определение слову «фильтрация», то оно будет выглядеть примерно так: фильтрация — это процесс обработки электрического звукового сигнала частотно-избирательными устройствами с целью изменения спектрального состава (тембра) сигнала. Задачами такой обработки могут быть:
> амплитудно-частотная коррекция сигнала (усиление или ослабление отдельных частотных составляющих);
^ полное подавление спектра сигнала или шумов в определенной полосе частот.
Например, если микрофон, акустическая система или еще какой-либо элемент звукового тракта имеют неравномерную амплитудно-частотную характеристику, то с помощью фильтров эти неравномерности могут быть сглажены. Если в результате анализа спектра выяснилось, что в некоторой области частот энергия помехи значительно превышает энергию сигнала, то посредством фильтрации все колебания в этом диапазоне частот можно подавить.
Для осуществления фильтрации созданы самые различные устройства: отдельные корректирующие и формантные фильтры, устройства для разделения звука на несколько, каналов по частотному признаку (кроссоверы), двухполосные и многополосные регуляторы тембра (эквалайзеры). При аппаратной реализации фильтров их создают либо на основе колебательных звеньев, состоящих из катушек индуктивности и конденсаторов, либо на основе их аналогов, так называемых гираторов. представляющих собой операционные усилители, охваченные особого типа обратными связями.
Основой фильтров, реализованных программным путем в составе звуковых редакторов, служит спектральный анализ. Как известно, любой реальный сигнал может быть представлен в виде набора коэффициентов разложения в ряд по гармоническим (синусоидальным и косинусоидальным) функциям. Фильтрация сводится к умножению спектральных коэффициентов на соответствующие значения передаточной функции фильтра. Если спектр представлен в комплексной форме, то сигнал описывается совокупностью амплитудного и фазового спектров (АС и ФС), а фильтры — амплитудно-частотными и фазочастотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ). АЧХ представляет собой зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты. ФЧХ отражает сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к входному в зависимости от частоты. В этом случае фильтрация эквивалентна умножению АС на АЧХ и алгебраическому сложению ФС с ФЧХ.
Классический спектральный анализ из-за наличия большого количества операций умножения требует огромных затрат процессорного времени и при значительном числе отсчетов сигнала неосуществим в реальном масштабе времени. Для сокращения времени спектрального анализа дискретных сигналов разработаны специальные алгоритмы, учитывающие наличие связей между различными отсчетами сигнала и устраняющие повторяющиеся операции. Одним из таких алгоритмов является быстрое преобразование Фурье (БПФ). С применением БПФ вы познакомитесь в гл. 2. Особенность этого алгоритма состоит в том, что он допускает не любое, а лишь строго определенное количество отсчетов сигнала.