Кодирование звуковой информации

Как известно, звук – это колебания воздуха, представляющие собой звуковую волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем громче звук для человека; чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, такой непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал должен быть преобразован в последовательность электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).

Семпл – это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала.

Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке называют его дискредитацией.

Для кодирования непрерывного звукового сигнала производится его дискретизация по времени (временная дискретизация, оцифровка). Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные короткие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Это выполняется устройством, называемым аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), который измеряет напряжение поступающего с микрофона звукового сигнала через равные промежутки времени и записывает полученные значения (в виде многоразрядных двоичных чисел) в память компьютера. В результате, непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность значений уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность «ступенек» (рисунок 7).

Рисунок 7 – Преобразование звукового сигнала

Для того чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно выполнить обратное преобразование, для которого служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал (через аналоговый фильтр).

Каждой «ступеньке» присваивается значение уровня громкости (амплитуды) звука, его код (1, 2, 3, и т. д.). Таким образом, при двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний. Соответственно, чем большее количество уровней громкости будет выделено в процессе кодирования, тем большее количество информации будет нести значение каждого уровня и тем более качественным будет звучание.

Важными параметрами семплированияявляются частота и разрядность.

Частота– это количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду. Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Это объясняет то, что стандартная частота для звукового компакт-диска – это частота 44,1 кГц. Так как диапазон колебаний звуковых волн находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду должно быть больше, чем количество колебаний за тот же промежуток времени. Если же частота дискредитации значительно ниже частоты звуковой волны, то амплитуда сигнала успевает несколько раз измениться за время между измерениями, а это приводит к тому, что цифровой отпечаток несет хаотичный набор данных. При цифро-аналоговом преобразовании такой семпл не передает основной сигнал, а только выдает шум.

В формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту семплирования 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно.

Разрядностьуказывает, с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала («глубина» кодирования звука). Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны.

Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. От частоты дискредитации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискредитации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц (количество измерений в секунду 8000) качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц (количество измерений в секунду 48000) – качеству звучания аудио-CD.

В современных преобразователях принято использовать 20-битное кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука.

Вспомним формулу К = 2^a . Здесь К – количество всевозможных звуков (количество различных уровней сигнала или состояний), которые можно получить при помощи кодирования звука а битами

Таблица 8