Инженеры нашли способ записывать тихий шёпот и оглушительный шум, не увеличивая разрядность цифрового оборудования. Разработанная ими система USF-Audio расширила диапазон записываемых звуков минимум на 18 децибел и позволила обойти техническое ограничение, с которым разработчики сталкиваются почти 90 лет. Новый метод может пригодиться при создании чувствительных микрофонов, медицинских приборов и датчиков окружающей среды.
Проблема знакома каждому, кто пытался записать разговор на шумной улице или выступление на концерте. Если настроить микрофон на тихую речь, резкий громкий звук может превысить допустимый уровень и превратиться в хрип. Если уменьшить чувствительность, слабые звуки потеряют часть деталей. Инженерам приходится искать компромисс между максимальной громкостью и точностью записи.
Причина кроется в работе аналого-цифрового преобразователя, который превращает электрические колебания от микрофона в последовательность чисел. Количество битов определяет, сколько значений устройство может использовать для описания сигнала. Например, шестибитный преобразователь располагает всего 64 уровнями. Когда амплитуда выходит за допустимые пределы, устройство обрезает верхушки звуковой волны, безвозвратно теряя часть информации. А расширение динамического диапазона при прежнем количестве битов обычно ухудшает точность передачи слабых сигналов.
Авторы USF-Audio предложили необычное решение. Вместо обрезки слишком сильных колебаний электроника математически сворачивает сигнал, возвращая выходящие за пределы значения обратно в допустимый диапазон. Принцип напоминает стрелку часов, которая после полного оборота снова оказывается в начале циферблата. Звуковая волна после преобразования сильно меняется, однако алгоритм знает правила сворачивания и по последовательности измерений восстанавливает исходные колебания.
Главное преимущество нового подхода состоит в том, что преобразователю не требуется больше битов для работы с сильными сигналами. Инженеры собрали экспериментальное устройство из обычных электронных компонентов и проверили, насколько хорошо математическая идея работает с настоящим звуком. Шестибитный образец обеспечил динамический диапазон минимум на 18 дБ шире, чем традиционный преобразователь с аналогичной разрядностью. Разница соответствует примерно восьмикратному увеличению диапазона допустимых амплитуд.
Одних измерений разработчикам показалось недостаточно, поэтому инженеры проверили качество записей на слух. Для испытаний подготовили человеческую речь, музыку, звуки сердцебиения и голоса животных. Затем 52 добровольца сравнили восстановленные записи с обычным шестибитным звуком и фрагментами, пострадавшими от обрезки слишком громкого сигнала. Участники оценили качество USF-Audio выше, подтвердив, что преимущества нового метода заметны при прослушивании.
Интересно, что инженеры добились улучшения, изменив сам способ представления звука в цифровой форме. Основы привычной звукозаписи начали формироваться ещё в 1937 году, когда Алек Ривз предложил импульсно-кодовую модуляцию. Впоследствии работы Клода Шеннона помогли создать математическую основу цифровой передачи информации. Десятилетиями увеличение разрядности оставалось одним из главных способов точнее записывать сигналы с большим разбросом амплитуд. USF-Audio показывает, что часть ограничений можно обойти математической обработкой ещё до оцифровки.
Разработчики рассчитывают использовать метод далеко за пределами музыкальной индустрии. Например, цифровому стетоскопу приходится улавливать слабые звуки сердца и дыхания, которые легко заглушают посторонние шумы. Датчики для наблюдения за животными сталкиваются с похожей задачей, когда записывают тихие крики на фоне громких звуков природы. Сохранение большего количества исходной информации также может помочь системам искусственного интеллекта, которые анализируют показания датчиков. Даже мощная нейросеть не всегда способна восстановить детали, потерянные при записи.
Ещё одно возможное преимущество USF-Audio касается размеров и энергопотребления электроники. Если инженерам удастся расширять диапазон измерений без дополнительных битов, чувствительные датчики смогут обходиться более простыми преобразователями. Однако пока исследователи продемонстрировали работу метода только на экспериментальном оборудовании. Насколько компактными и экономичными окажутся будущие устройства, покажут дальнейшие испытания.
