38.Кодирование звуковой информации

Для оцифровки звука используется преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Преобразование звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера:

Звуковая волнаМИКРОФОНпеременный электрический ток АУДИОАДАПТЕР   двоичный кодПАМЯТЬ ЭВМ.

Воспроизведение   звуковой информации, сохраненной  в памяти компьютера:

ПАМЯТЬ ЭВМдвоичный код АУДИОАДАПТЕР  Электрический сигнал АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА звуковая волна.

Перевод сигнала из аналоговой формы в цифровую (дискретную) означает замену описывающей его непрерывной функции Z(t) на некотором отрезке [t₁;t₂] конечным множеством {Z_i;t_i} i=0..n, где n – количество точек разбиения временного интервала. Преобразование называется дискретизацией непрерывного сигнала и осуществляется посредством двух операций:

1)             развертка по времени – наблюдение за значением величины Z производится в определенные моменты времени с интервалом t.

2)            квантование по величине сигнала – отображение вещественных значений параметра сигнала в конечное множество чисел, кратных некоторой постоянной величине – шагу квантования Z.

Совместное выполнение обеих операций эквивалентно нанесению масштабной сетки на график Z(t). В качестве пар значений {Z_i;t_i} выбираются узлы сетки, расположенные наиболее близко к графику. Полученное множество узлов является дискретным представлением исходной непрерывной функции.

Число уровней квантования сигнала, представленного на рисунке равно 6. Можно провести нумерацию уровней и выразить их в двоичной системе счисления. Для шести уровней достаточно трех двоичных разрядов. Каждое дискретное значение представляется в этом случае двоичным кодом в виде последовательности сигналов двух уровней.

В большинстве устройств связи для передачи используются колебательные и волновые процессы, с определенным, ограниченным спектром частот колебаний. Теорема отсчетов (В.А. Котельников 1933г)

Непрерывный сигнал можно полностью отобразить и точно воссоздать по последовательности измерений или отсчетов величины этого сигнала через одинаковые интервалы времени, меньшие или равные половине периода максимальной частоты, имеющейся в сигнале, т.е.:

, где  _m  – значение верхней границы частоты устройства.

Например, для точной передачи речевого сигнала с частотой до _m=4000Гц при дискретной записи должно производиться не менее 8000 отсчетов в секунду; В телевизионном сигнале _m ≈ 4 МГц, следовательно, для его точной передачи, потребуется около 8000000 отсчетов в секунду.

Шаг квантования Z определяется чувствительностью приемного устройства. Любой получатель сообщения – человек или устройство – всегда имеют конечную предельную точность распознавания величины сигнала, которая и становится критерием выбора шага квантования. Например, человеческий глаз в состоянии различить около 16 миллионов цветовых оттенков; это означает, что при квантовании цвета нет смысла делать большее число градаций. Примеры устройств оцифровки изображения и звука: сканер, модем, диджитайзер, устройства для цифровой записи звука и изображения, лазерный проигрыватель, графопостроитель.

При цифровой записи звука преобразовании информации происходит следующим образом: Z(t) z(k), где t – время, k – натуральное число, Z(t) – давление воздуха на мембрану микрофона, z(k) – числовое значение Z(t) в момент времени t =k,  – период квантования.

Полученные числовые коды хорошо фильтруются, легко обрабатываются и высоконадежны.