Цифровая обработка звука

Метод натуральной цифровой записи звука [2] называется PCM (Pulse Code Modulation — импульсно-кодовая модуляция). Он заключается в том, что в ходе записи в течение каждой секунды многократно регистрируется текущая амплитуда звуковой волны. Некоторое значение амплитуды принимается как максимально возможное в данной звукозаписи. В соответствии с выделенным для оцифровки единичным элементом данных максимальному значению присваивается самое большое целое число. Далее текущее значение амплитуды масштабируется относительно максимального числа и округляется до ближайшего целого. В результате получается единичный снимок (кадр) звуковой волны. Цифровая звукозапись представляет собой последовательность таких кадров.

Частоту, с которой делают снимки, называют частотой дискретизации, или шагом квантования, или частотой оцифровки. Очевидно, что чем выше частота дискретизации, тем более точно цифровая запись будет соответствовать аналоговому образцу. По теореме Котельникова (за рубежом она известна как правило Найквиста) частота дискретизации должна не менее чем вдвое превышать максимальную частоту записываемого звука.

Сильно влияет на точность записи и величина единичного массива данных (иногда называемая глубиной оцифровки или разрядностью представления), определяющая число различимых уровней записываемого звукового сигнала. От разрядности зависит отношение максимально воспроизводимой громкости звука по отношению к громкости шумового фона. Слуховая система человека способна различать звуки в диапазоне до 120 дБ. При 8-битной записи диапазон составит 48 дБ (всего 255 значений). При 16-битной записи диапазон составит 96 дБ. На практике запись хорошего качества получается при частоте дискретизации 44100 Гц и глубине оцифровки 16 бит. Именно такие параметры приняты для записи музыки на лазерных дисках, называемых аудио компакт-дисками (Audio CD).

Оцифровка аналогового сигнала производится цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) выполняют обратную задачу. Часто оба устройства объединяют в одном блоке, называемом кодеком (кодировщик-декодировщик).

Цифровые преобразования вносят специфические искажения в аналоговый сигнал. Из-за того, что в цифровом представлении доступен только ряд целых дискретных значений сигнала, появляется практически непрерывный паразитный сигнал, называемый шумом дискретизации.