Кодирование звука

С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.

Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны сжатия и разрежения, свободно распространяющиеся в воздухе или какой-либо другой среде с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Поэтому звуковое давление (звуковой сигнал) непрерывно изменяется во времени и пространстве, т.е. является аналоговым сигналом. Запись звука – это сохранение информации о колебаниях звукового давления во время записи. При этом аналоговый звуковой сигнал преобразуется в аналоговый же электрический сигнал при помощи микрофона той или иной конструкции и может быть записан на магнитной ленте в магнитофоне или на аудио компакт-диске (Audio-CD).

Но компьютер воспринимает, хранит и обрабатывает информацию в цифровом виде. Поэтому, чтобы передать аудиоинформацию в компьютер необходимо этот полученный электрический сигнал о звуке преобразовать в цифровую форму. Это преобразование осуществляется в так называемых аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Вывод же звуковой информации из компьютера должен быть представлен в виде аналогового электрического сигнала, который затем должен в динамиках преобразовываться в звуковой сигнал для восприятия пользователем. Преобразование электрических цифровых сигналов, с которыми оперирует компьютер, в аналоговые электрические сигналы, требующиеся для подачи на вход динамика, осуществляется цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Рис.2.5. Преобразование электрических сигналов в цифровую форму и обратно

Для того, чтобы описать в цифровом виде аналоговый сигнал, являющейся функцией времени, необходимо определить (измерить, т.е. представить в цифровом виде) два параметра:

- моменты времени, в которые производились измерения сигнала;

- значения сигнала в данных точках измерения.

Определение первого параметра называется дискретизацией сигнала или выборкой отсчетов аналогового сигнала с заданной периодичностью. Периодичность отсчетов определяется частотой дискретизации. В свою очередь, частота дискретизации должна быть не менее удвоенной частоты наивысшей гармонической составляющей исходного звукового сигнала (в соответствии с теоремой Котельникова). Поскольку человек способен слышать звуки, частота которых находится в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц, то максимальная частота дискретизации исходного звукового аналогового сигнала должна составлять не менее 40 кГц, т.е. отсчеты требуется проводить не менее 40.000 раз в секунду. Поэтому, в большинстве современных звуковых подсистем персональных компьютеров, максимальная частота дискретизации звукового сигнала составляет 44,1 или 48 кГц.

Одновременно с дискретизацией осуществляется так называемое квантование отсчетов по амплитуде (уровню), которое заключается в измерении мгновенных значений амплитуды в точках дискретизации и, следовательно, получении требуемого цифрового кода. При этом точность измерения зависит от количества разрядов кодового слова. Если значение амплитуды отсчета представлять 8-ми разрядным двоичным кодом, то можно закодировать и записать только 256 (28) градаций значения амплитуды. Если же значение амплитуды кодировать 16-ти разрядным двоичным кодом, то можно представить и закодировать 216 = 65.536 уровней отсчета, т.е. точность представления отсчета а, следовательно, и качество представления сигнала будет существенно выше.

Таким образом, звуковой процесс, подаваемый на вход звуковой системы компьютера, может быть полностью определен частотой его дискретизации по времени и множеством его значений по уровню, полученных в моменты снятия отсчетов. Моменты же времени снятия отсчетов полностью определяются начальным моментом получения отсчетов и расстоянием между отсчетами, т.е. периодом повторения отсчетов. Кодированные значения начала и периода повторения задаются обычно в виде 16-ти разрядных двоичных кодов электронными часами, управляемыми генератором тактовых импульсов (синхроимпульсов). Кодированные значения самих этих отсчетов в моменты их снятия получаются в цифровом виде с выхода АЦП.

Следовательно, чтобы запомнить в памяти компьютера в цифровом виде некоторый звуковой процесс, надо запомнить 16-ти разрядный код, представляющий период дискретизации по времени данного цифрового процесса, а также некоторый массив кодов, представляющий значения отсчетов (в большинстве случаев, также 16-ти разрядных).

Например, стереофонический звуковой сигнал длительностью 60 секунд, оцифрованный с частотой дискретизации 44,1 кГц, при 16-ти разрядном квантовании по уровню, для хранения потребует около 16 Мбайт. Этот объем может быть уменьшен путем компрессии (сжатия) данных по тем или иным алгоритмам (естественно с некоторыми потерями). Методы кодирования при сжатии позволяют сократить требуемый объем памяти до 20% от первоначального.

Цифро-аналоговое преобразование, т.е. преобразование цифровой информации, формируемой компьютером, в аналоговый электрический сигнал, подаваемый на динамики для преобразования в звуковые колебания воздуха, в общем случае происходит в два этапа. На первом этапе из потока цифровых данных с помощью ЦАП получают значения электрического сигнала, соответствующие их цифровым значениям в каждый момент времени дискретизации. В результате получают дискретный, ступенчато изменяющийся электрический сигнал. На втором этапе, из этого ступенчатого сигнала, путем сглаживания (интерполяции-фильтрации), формируется результирующий электрический аналоговый сигнал, который подается непосредственно на динамики. Сглаживание обычно осуществляется фильтром низкой частоты, который подавляет высшие периодические составляющие спектра дискретного сигнала.

8-ми разрядные АЦП и ЦАП обеспечивают качество звука, близкое к качеству звука в телефонной линии и в современных компьютерах не используются. Большинство мультимедийных компьютеров оснащено 16-разрядными АЦП и ЦАП, которые обеспечивают студийное качество звучания и относятся к классу Hi-Fi. А некоторые современные звуковые карты оснащаются 20 и даже 24-разрядными АЦП, что существенно повышает качество записи/воспроизведения звука.