"Музыкальный центр на компьютере" - читать интересную книгу автора (Леонтьев Виталий Петрович)

Оцифровка звука

Чтобы звук перевести в цифровую форму, его надо оцифровать. Оцифровывают аналоговый сигнал путем измерения мгновенных уровней сигнала и последовательной записи этих значений в файл. На рисунке измеряемые значения на исходной кривой отмечены точками.

Между измерениями существуют интервалы, длительность которых определяется частотой дискретизации. Чем больше частота дискретизации, тем меньше интервал, тем точнее повторится форма исходного сигнала. То есть частота дискретизации определяет допустимый частотный диапазон входного сигнала. По теореме Котельникова – Шеннона она должна быть в два раза выше максимальной частоты измеряемого сигнала. Вот откуда взялась частота дискретизации 44 кГц. Это удвоенная частота слышимого человеком звука, теоретически. Она таковой и является – на компакт-дисках. Новые форматы хранения оцифрованного звука, DVD-Audio и Super AudioCD, подразумевают еще более высокую частоту дискретизации (до 192 кГц).

Посмотрим еще раз на рисунок. Есть что-то неправильное. Ведь сигнал от одного замера до другого может измениться несколько раз, а это значит, что частота дискретизации выбрана гораздо ниже необходимой и в результате сигнал оцифруется с большими искажениями. Сигнал с необходимой частотой дискретизации будет выглядеть, как показано на следующем рисунке. Как видим, в этом случае разницей в замерах действительно можно пренебречь.

Другой важный параметр – разрядность преобразования. Он определяет точность замера мгновенной величины сигнала. Сигнал измеряется с шагом, соответствующим одному интервалу из максимального количества интервалов, на которые условно делится сигнал при измерении. Следовательно, точность преобразования составляет ±1 интервал. Обыкновенно применяют 8-, 16– и 20-битные преобразования. (Для AudioCD разрядность звука соответствует 16 битам, для более совершенных носителей – 20 битам.) Разрядность преобразования определяется звуковой картой, а именно АЦП, с помощью которого оцифровывают сигнал. Например, при преобразовании входного сигнала с максимальным значением 100 процентов 8-битным преобразователем погрешность сигнала будет составлять 100/28 = ±0,4 процента, а для 16-битного преобразования 100/216 = ±0,0015 процента. Чтобы разъяснить эти сухие цифры, рассмотрим процесс «оцифровки» на рисунке. Для наглядности будем считать, что АЦП звуковой карты у нас трехбитовый (ужас какой!). Пунктирной линией показан результат преобразования входного сигнала. Соответственно, погрешность в этом случае громадная – 100/23 = ±12,5 процентов. Итак, мы видим, что чем выше разрядность преобразования, тем точнее повторяется форма исходного сигнала.

Естественно, как при увеличении частоты дискретизации, так и при увеличении разрядности преобразования геометрически увеличивается объем конечного файла. Стандартными для современных звуковых карт являются: значение частоты дискретизации 44 кГц и разрядность преобразования 16 бит. При этих параметрах объем файла составляет около 10 Мб на 1 минуту звука. Это много, даже при современных объемах винчестеров, не говоря о переносных устройствах.