Преобразование исходного аналогового сигнала в дискретный

Аналоговые – это такие сигналы, параметры которых изменяются непрерывно (а не скачкообразно) с течением времени, то есть количество значений какого-нибудь параметра аналогового сигнала (например, амплитуды) в общем-то бесконечно. Звуковые волны (звук) являются типичным представителем аналоговых сигналов.

Дискретный сигнал, в свою очередь, описывается конечным количеством разделенных во времени параметров. Процесс оцифровки сигнала сводится к замене непрерывной функции параметров к конечному набору так называемых выборок – замеров значения параметра сигнала, производимых через определенные промежутки времени (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Оцифровка аналогового сигнала

Как можно увидеть на рис. 5.4, все точки кривой, расположенные между выборками (например, между выборками 5 и 6), не попадут в оцифрованную версию сигнала. Таким образом, можно сделать вывод, что чем больше будет выборок, тем точнее (качественнее) оцифруется сигнал.

Определение

Количество выборок в единицу времени называется частотой дискретизации. Частота дискретизации измеряется в килогерцах.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется специальным устройством, которое называется аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для обратного преобразования цифрового сигнала в аналоговый используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Какими параметрами определяется качество оцифрованного звука? Мы уже выяснили, что качество зависит от частоты дискретизации. Существует даже специальная теорема Котельникова, согласно которой частота дискретизации должна быть в два раза выше частоты колебаний самой высокой составляющей звукового сигнала. Если учесть, что звуки самого высокого тона, которые способно распознать человеческое ухо, имеют частоту около 20 кГц,¹³то хорошее качество оцифрованного звука достигается при использовании частоты дискретизации 44 кГц.

Наверняка вы знаете, что звуковые волны характеризуются следующими параметрами: высотой тона (то есть частотой колебаний), громкостью (то есть амплитудой колебаний) и тембром (качеством звука, придающим звучанию индивидуальную окраску). Тембр звука зависит от состава звукового сигнала. Дело в том, что реальные окружающие нас звуки состоят из огромного количества наложенных друг на друга звуковых волн. Звуковая волна, имеющая наиболее низкую частоту в таком «звуковом пакете», называется основным тоном . Звуковые волны «пакета», распространяющиеся с более высокими частотами, называются обертонами.

Это интересно

Существуют ли источники звука, которые способны создавать звуковые волны строго определенной частоты? Да, существуют. Это камертоны, которые используют для настройки музыкальных инструментов.

К чему мы все это рассказываем? А к тому, что при дискретизации звука измеряется вовсе не один параметр звукового сигнала (как показано на рис. 5.4), а множество. На количество измеряемых при дискретизации характеристик звука влияет параметр оцифровки, называемый битовой глубиной оцифрованного звука. Качественной считается глубина 16 бит. При такой битовой глубине оцифровка звука позволяет зафиксировать 2¹⁶ = 65 536 характеристик звука (частоты и амплитуды основного тона и обертонов).

Еще одним параметром, который определяет качество оцифрованного звука, является количество звуковых каналов . Наиболее распространенная в наше время двухканальная стереозапись создает иллюзию звуковой панорамы. Источники звука как бы разделяются в пространстве. Более сложные системы (5 и более каналов) создают эффект объемного звучания.

Таким образом, так называемое «качество компакт-диска» имеют двухканальные стереозаписи, созданные с битовой глубиной 16 бит и частотой дискретизации 44 кГц.

Оцифрованный звук записывается в файлы с расширением WAV.¹⁴Понятно, что размеры такого файла зависят, во-первых, от продолжительности звуковой дорожки, а во-вторых, от качества оцифровки. Эти размеры иногда оказываются очень большими – одна минута качественно оцифрованной стереозаписи занимает около 10 Мбайт. Для решения этой проблемы было придумано множество алгоритмов сжатия WAV-файлов, в результате чего получались файлы других форматов.

Наиболее распространенным из них является формат MP3. Он позволяет практически без потерь сжимать WAV-файл более чем в 10 раз. Стоит отметить, что «практически без потерь» – понятие весьма условное. Ярые меломаны в пух и прах развеют это утверждение и будут правы. Для работы с файлами каждого формата используется специальная программа компрессии-декомпресии, называемая кодеком .

Это полезно знать

Если ваш компьютер не хочет воспроизводить какой-либо звуковой файл, скорее всего, у вас отсутствует необходимый для данного формата кодек. Нужный кодек можно найти в Интернете. Современные операционные системы семейства Windows уже содержат встроенные кодеки для воспроизведения таких популярных звуковых форматов, как MP3 и WMA.

Кодеки характеризуются скоростью передачи битов – количеством сжатых битов звукового файла, которые распаковывает кодек за 1 секунду. Пресловутому качеству компакт-диска соответствует скорость передачи, равная 128 Кбит/с.