Свойства кодов рида-соломона
Коды Рида-Соломона являются подмножеством кодов БЧХ и являются линейными. Коды Рида-Соломона указываются как RS(n,k) с s-бит символами. Это означает, что кодер берёт k символов данных по s бит каждый и добавляет паритетные символы, чтобы сделать ключевое слово длиной n. Есть также символы с n-k паритетом по s-бит каждый. Декодер Рида-Соломона может исправить вплоть до t символов, которые содержат ошибки в кодовом слове, где 2t = n-k.
Далее показана диаграмма типичного кода Рида-Соломона ( известный как Систематический код, потому что данные слева в неизменном состоянии и паритетные символы присоединены):
Пример:Популярный код Рида-Соломона RS(255,223) с 8-разрядными символами. Каждое ключевое слово содержит 255 байтов кодового слова, из которых 223 байта - данные, и 32 паритетные байты. Для этого кода:
n = 255, k = 223, s = 8
2t = 32, t = 16
Декодер может исправить любые 16 ошибок символа в кодовом слове: т.е. ошибки вплоть до 16 байтов где-нибудь в ключевом слове могут быть автоматически исправлены.
Получим размер символа s, для длины (n) максимального ключевого слова кода Рида-Соломона n = 2s – 1
Например, максимальная длина кода с 8-разрядными символами (s=8) составляет 255 байтов.
Коды Рида-Соломона могут сокращаться (концептуально) бросая ряд нулевых символов данных на кодер, не передавая их, а затем повторно вставляя их в декодер.
Пример: Код описанный выше может быть сокращен до (200,168). Кодер берет блок 168 байтов данных, (концептуально) добавляет 55 нулевых байтов, создает (255,223) ключевое слово и передает только 168 байтов данных и 32 паритетных байта.
Количество "мощность" обработки требует, чтобы кодировались и декодировались коды Рида-Соломона вместе с числом паритетных символов, образуя ключевое слово. Большое значение t означает, что большой ряд ошибок может быть исправлен, но требует большую вычислительную мощность, чем маленькое значение t.
КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ
После перемежения и помехоустойчивого кодирования байтов образуется их последовательность, сгруппированная по блокам, но записывать этот сигнал на магнитную ленту без канального кодирования нельзя.
Дня чего применяется канальное кодирование?
Как известно, канал магнитной записи не способен передавать постоянную составляющую сигнала. Магнитная головка дифференцирует сигнал намагниченности ленты, реагируя только на изменение намагниченности. Если же на ленте записан сигнал с постоянной намагниченностью (например, длительная последовательность единиц или нулей), то сигнал головки отсутствует. Поэтому такие длительные последовательности в сигнале должны отсутствовать, иначе не удастся правильно посчитать число бит в таких длинных посылках. Кроме того, такая ситуация приводит к появлению низкочастотных составляющих в спектре сигнала, что для тракта записи-воспроизведения нежелательно. В канальном кодере каждому байту (а их может быть 256 различных значений), ставится в соответствие двоичное число из более чем 8 бит (например, 10, 12 или 14). Эти числа занесены в постоянное запоминающее устройство, и для их генерации не требуется много времени. Отличительной особенностью сигналов с выхода канального кодера является, с одной стороны, выполнение условия самосинхронизации, когда система ФАПЧ в канале воспроизведения легко выделит тактовую частоту (частоту следования бит), а с другой, – длины непрерывных пачек нулей и единиц в этих сигналах таковы, что спектр сигнала хорошо согласуется с частотной характеристикой тракта записи-воспроизведения. Кроме того, число нулей и единиц в сигнале сбалансированно, в результате чего нет постоянной составляющей.
ЗАПИСЬ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ НА ЛЕНТУ
Ранее на конкретных цифрах было показано, что попытка записать цифровой сигнал на обычный аналоговый кассетный магнитофон бесперспективна. Для потребителя важно, чтобы время звучания кассеты в цифровом магнитофоне было хотя бы не меньше, чем в аналоговом. При этом его не интересует, каких усилий для этого потребуется от разработчиков.
Очевидно, что плотность упаковки информации на ленту в цифровом магнитофоне необходимо резко повышать. Резервы для этого есть, и они найдены и реализованы. Прежде всего необходимо уменьшить минимальную длину волны записи. Использование современных технологий и материалов в производстве магнитных головок на основе сендаста и феррита, а также появление магнитных лент со сплошным металлизированным покрытием (металлопорошковые ленты) позволило довести минимальную длину волны записи до 0,5 мкм. При этом продольная плотность записи может быть доведена до 2500 бит/мм. Однако такая мера позволила увеличить плотность записи не более чем в 8-10 раз, чего явно недостаточно. Были также использованы особенности цифрового сигнала, в котором не требуется иметь большой динамический диапазон и высокое соотношение сигнал/шум. Действительно, необходимо лишь различить уровни сигналов «1» и «0». В результате исследований установлено, что для достижения приемлемой вероятности ошибок в канале цифровой записи-воспроизведения, когда на выходе системы помехоустойчивого декодера обеспечивается безошибочное воспроизведение, достаточно иметь соотношение сигнал/шум 20-30 дБ (для аналоговой звукозаписи 50-60 дБ). В результате становится возможным уменьшение ширины дорожек записи в десятки раз (до 10-20 мкм против 600-700 мкм в аналоговой записи). И только лишь по завершению всех этих работ появилась уверенность в том, что длительность звучания цифрового магнитофона на кассетах равного размера будет не меньше, а иногда и больше, чем аналогового.
ФОРМИРОВАНИЕ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА В СИСТЕМЕ CD
| б |
Точно так же, как в цифровых магнитофонах, подавать на модулирующий электрод записывающего лазера сигнал непосредственно с выхода аналого-цифрового преобразователя нельзя. Поэтому здесь используются и перемежение, и задержка, и помехоустойчивое кодирование, и канальное кодирование. Используется также и кое-что другое. На рис. 4.7 приведена структура преобразования сигнала при подготовке его к записи. Цифровой поток с выхода обоих АЦП поступает в устройство распределения по блокам. Частота следования блоков составляет 7,35 кГц. В каждый блок входят по шесть отсчетов левого и правого каналов (кодирование 16-битовое). Получается блок из 24 байт (192 бита), в котором тактовая частота составляет 1,4112 Мбит/с. Этот цифровой поток подвергается процедуре перемежения и задержки, поcле чего подвергается двухкаскадному помехоустойчивому кодированию кодом Рида-Соломона.
| Рис. 4.7. Порядок генерации цифрового потока для записи на CD |
При этом кроме 8 байт помехоустойчивого кодера в блок добавляется еще 1 байт, называемый байтом управления и информации. В результате с выхода помехоустойчивого кодера скорость цифрового потока увеличивается до 1,9404 Мбит/с, а блок уже содержит 33 байта (264 бита). Канальный кодер преобразует каждый из 33 байта блока в 14- битовую комбинацию нулей и единиц, к которой добавляются три выравнивающих бита, которые убирают постоянную составляющую цифрового потока. Полученная 17-битовая комбинация уже не может быть названа байтом, и ее часто называют символом. Наличие 33 символов по 17 бит увеличивает скорость цифрового потока до 4,12335 Мбит/с. В заключение к каждому блоку добавляется синхрослово из 27 бит, необходимое для распознавания в процессе воспроизведения границы между соседними блоками. В результате всех преобразований скорость цифрового потока увеличивается до 4,3218 Мбит/с при емкости блока 588 бит. Таким образом, в процессе подготовки цифрового сигнала стереозвука к записи скорость цифрового потока возросла более чем в 3 раза. Такую высокую плату приходится платить за возможность получения высокого качества воспроизведения, несмотря на наличие пыли, царапин и других помех на поверхности диска. Особо следует сказать о том, что несмотря на такую высокую тактовую частоту на модуляторе записывающего лазера, число питов, записанных за 1 с на диск, не превышает 700 тыс. в секунду. Это является крупным достижением фирм – разработчиков системы CD, что и обеспечило безусловную победу данного варианта над другими, которые тоже разрабатывались в начале 80-х годов, но не выдержали проверку временем и бесславно канули в Лету.
Форматы музыкальных файлов
На сегодняшний день в музыкальном мире присутствует довольно много различных музыкальных форматов, и как показывает обзор рынка и интернет, основынми музыкальными форматами качества являются форматы lossless (flac, ape, wv), wave, audio, mp3 и wma, а так же формат midi, используемый для передачи данных между различными устройствами. О чем и пойдет ниже речь...
AUDIO
Всем нам сегодня известно такое устройство, как лазерный проигрыватель, которым снабжены практически все современные музыкальные центры. Данное устройство воспроизводит звук с лазерных компакт-дисков или AUDIO-CD дисков (что одно и то же). На один лазерный диск помещается 74 минуты звучания в формате AUDIO. Данный диск может быть воспроизведён и на ПК, снабжённом устройством CD-ROM. В формате AUDIO звук может храниться только непосредственно на компакт-диске, для хранения в компьютере (на жёстком диске) данный формат не приемлем. Некоторым неудобством аудиоформата также является то, что он не может иметь визуального названия своего содержимого. То есть, если на диске не указан перечень песен и вы потеряли сопутствующий конверт, то узнать содержимое диска можно только прослушав каждый трек.
Итог. Звуковой формат AUDIO имеет высокое качество звучания, этот формат используется для проигрывания звука на бытовых лазерных проигрывателях, а также на ПК, имеющих CD-ROM. Имеет достаточно большой объём: на один лазерный диск помещается 74 минуты звучания. Музыкальный трек формата AUDIO не имеет названия.
Звук в формате AUDIO можно записать при помощи специальных программ на жёсткий диск компьютера, но при этом компьютер преобразует формат AUDIO в другой формат.
WAV
Формат звука WAV (с англ. Wave – волна) – это цифровой формат звука, по своему качеству примерно одинаковый с форматом AUDIO, но объем измеряется не в минутах, а в байтах, мегабайтах и т.д. Данный формат может храниться как на жёстком диске ПК, что делает его весьма доступным для работы со звуковым оформлением сценария, так и на компакт-диске. Формат WAV может иметь своё индивидуальное название на любом носителе (каждый файл вы можете назвать, как вам захочется, и это название будет сохраняться при копировании или переносе). Не нуждается в специальных программах для копирования, скажем, с лазерного диска на жёсткий диск, что делает удобным перемещение звуковых файлов с ПК на ПК.
Но звук в формате WAV не может быть воспроизведён на простом бытовом лазерном проигрывателе, этот формат может быть обработан только программами компьютера или CD-плеерами нового поколения, пока ещё составляющими большую редкость, а, соответственно, имеющими высокую цену.
Итог. Формат WAV - это сугубо компьютерный звуковой формат, обладающий высоким качеством, но и большим объемом. Может храниться на любом приемлемом для ПК виде носителей и имеет своё индивидуальное название.
Lossless (FLAC, APE, WV)
Lossless (от англ. – без потерь) - это значит что lossless (безпотерьные) аудио-форматы, такие как FLAC (Free Lossless Audio Codec), APE (Monkey's Audio) и WV, которые преобразуют CD в цифровой формат без потери качества. То есть, вы можете взять диск из вашей коллекции, перекодировать его в WAV, затем WAV в формат FLAC, дальше из FLAC в WAV и записать на чистый диск и вы получите абсолютно идентичную копию Вашего диска. Напрашивается вопрос: а почему тогда не использовать просто формат WAV ? Всё очень просто – lossless форматы имеют такое же качество как и WAV, а вот места занимают меньше, в этом то их и прелесть. Существует миф, что аналог CD это MP3 с битрейтом 320 kbps – это неправда. Аналогом CD выступает только lossless образ этого CD (кстати, а у винила вообще аналогов нету, битрейт аналога винила должен быть равен бесконечности). Среди lossless форматов наиболее перспективным считается FLAC и WAV, а самой популярной программой для перегона CD в формат FLAC считается EAC (Exact Audio Copy).
MP3
MP3 (сокращенно от MPEG3). На сегдня звуковой формат MP3 одним из основных форматов массового распространения. Файлы в этом формате наиболее пригодны для хранения музыки практически на любом носителе информации. Ни одна производимая аппаратура для проигрывания музыки (магнитофоны, музыкальные центры, магнитолы, профессиональная аппаратура и другие) не обходится без поддержки mp3. Этот формат завоевал популярность за счет снижения объма информации до 70% от оригинальной дорожки (wav), за счет вырезания тех частот звучания, которые не воспринимает человеческое ухо. А качесвто звучания остается на том же уровне, что и качество формата wav.
При помощи соответствующих программ можно сжать звуковые файлы формата WAV в формат MP3. Это значит, что при небольшой потере качества объем уменьшится в 5-10 раз. Но здесь главное не переусердствовать. Некоторые параметры сжатия приведены в таблице, приведенной ниже.