Цифровой Звук. Частота дискретизации. Квантование

Цифровой звук – это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды. Допустим, мы имеем аналоговую звуковую дорожку хорошего качества и хотим ввести ее в компьютер, т. е. оцифровать, и желательно без потери качества. Как этого добиться и как происходит оцифровка?

Звуковая волна – это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Казалось бы, что раз это функция, то можно записать ее в компьютер "как есть", то есть описать математический вид функции и сохранить в памяти компьютера. Однако, практически это невозможно. Звуковые колебания нельзя представить аналитической формулой, как y=COSx, например. Остается один путь - описать функцию путем хранения ее дискретных значений в определенных точках. Говоря другими словами, в каждой точке времени можно измерить значение амплитуды сигнала и записать в виде чисел.

Однако и в этом методе есть свои недостатки, так как значения амплитуды сигнала мы не можем записывать с бесконечной точностью, и вынуждены их округлять. То есть, мы будем приближать эту функцию по двум координатным осям: амплитудной и временной. Приближать в точках - значит, брать значения функции в точках и записывать их с конечной точностью. Таким образом, оцифровка сигнала включает в себя два процесса: процесс дискретизации – т. е. осуществление выборки и процесс квантования.

Процесс дискретизации, это - процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени. Сэмплрэйт (samplerate), это - частота дискретизации (или частота сэмплирования) - частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем - АЦП). Измеряется в герцах (Hz).

Рис.4 Частота дискретизации.

Квантование, это - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью. Битрэйт (bitrate), это - уровень квантования, объем информации в единицу времени (bits per second). То есть, какое количество информации о каждой секунде записи мы можем потратить. Измеряется в битах (bit).

Рис.5 Квантование

Таким образом, оцифровка, это - фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений. Так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению. Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации, т. е. – выше сэмплрэйт) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования, т. е. – выше битрэйт), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим.

Надо помнить, что частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот оцифрованного сигнала, а именно, максимальная частота спектральных составляющих равна половине частоты дискретизации сигнала. Значит, чтобы получить полную информацию о звуке в частотной полосе, скажем, до 22 050 Гц, необходима дискретизация с частотой не менее 44.1 КГц.

Вопросы и задания по теме: «Цифровой звук»

1. В каком виде, и каким способом, в теории, можно записать звук в память компьютера?

2. Что представляет собой процесс дискретизации, квантования?

3. Что такое оцифровка?

4. От каких параметров зависит качество записи звукового сигнала?