XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

В настоящее время компьютеры широко применяются в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Обработка звуковой информации и музыка не стали исключением.

Рассмотрим процессы преобразования звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Примерное представление о том, что происходит в звуковой карте, может помочь избежать некоторых ошибок при работе со звуком

Звуковые волны при помощи передающего устройства преобразуются в аналоговый непостоянный электрический сигнал. Он попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, переводящее  звуковой сигнал в числовую форму.

Во время аналого-цифрового преобразования физического преобразования не происходит. С электрического сигнала будто бы снимается отпечаток, представляющийся цифровой модификацией колебаний напряжения в аудиотракте. Если такое представить в форме схемы, то эта модификация представлена в виде очередности столбиков, каждый из которых подходит назначенному числовому значению. Цифровой сигнал по своей природе дискретен - то есть прерывист, следовательно цифровая модель не совсем точно соответствует форме аналогового сигнала.

Далее нам предстоит познакомиться с понятием семпл. Семпл - это отрезок времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала.

Сам процесс преобразования называют семплированием. Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал нужной амплитуды.

Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность, так как если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Собственно поэтому нормальная частота для звукового компакт-диска - это частота 44. 1 кГц. Так как спектр колебаний звуковых волн располагаться в границах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду обязано быть больше, чем количество колебаний за тот же интервал времени. В том случае если частота дискретизации существенно меньше  частоты звуковой волны, амплитуда сигнала успевает  некоторое количество раз измениться за время между измерениями. При цифро-аналоговом преобразовании подобный семпл не передает основной сигнал, а лишь выдает шум. В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т. используют частоту семплирования 96 кГц.

Если в виде графика представить один и тот же звук высотой 1 кГц, но семплированный с разной частотой, то будут видны различия. Одно разделение на горизонтальной оси, которая изображает время, соответствует 10 семплам. Возможно увидеть, что на частоте 11 кГц примерно пять колебаний звуковой волны доводится на каждые 50 семплов, то есть один период синусоиды отображается только с помощью 10 значений. Это довольно неточная передача. В то же время, если испытывать частоту оцифровки 44 кГц, то на каждый период синусоиды доводится уже почти 50 семплов. Это позволяет получить сигнал неплохого качества.

Разрядность указывает, с какой верностью проистекают изменения амплитуды аналогового сигнала. 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 обязательно должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов . 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 дискретизации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискретизации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц - качеству звучания аудио- CD.

Современные методы используют более сложные алгоритмы преобразования. Помимо представления звуковых колебаний в цифровом виде, применяется также создание специальных команд для автоматического воспроизведения на различных электронных музыкальных инструментах. Ярчайшим примером такой технологии является MIDI.

Преимущества битового кода используются при передаче кодированного сигнала на расстояние, шифровании сигнала, цифровой подписи сигнала, восстановлении потерь, вызванных помехами при передаче, а также в прочих приложениях.

Аналого-цифровой преобразователь переход к записи звука в компьютерном виде потребовал принципиально новых подходов. При цифровой записи зависимости интенсивности звука от времени возникает принципиальная трудность: исходный сигнал непрерывен, а компьютер способен хранить в памяти только дискретные. Отсюда следует, что в процессе сохранения звуковой информации она должна быть “оцифрована”, т.е. из аналоговой непрерывной формы переведена в цифровую дискретную. Данную функцию выполняет специальный блок, входящий в состав звуковой карты компьютера, который называется АЦП - аналого-цифровой преобразователь.

АЦП производит дискретизацию записываемого звукового сигнала по времени. Это означает, что измерение степени интенсивности звука в поставленные фиксированные моменты времени. Частоту, характеризующую периодичность измерения звукового сигнала, принято именовать частотой дискретизации. Её выбор в значительной степени зависит от частотного диапазона удерживаемого сигнала: имеется особая теорема Найквиста, согласно которой частота оцифровки звука обязана как минимум в 2 раза превышать максимальную частоту, входящую в состав диапазона сигнала. Считается, человек слышит звук частотой не больше 20 000 Гц = 20 кГц, следовательно для высококачественного воссоздания звука верхний предел обычно с кое-каким резервом принимают равной 22 кГц. Частота при подобных условиях должна быть не меньше 44 кГц. Такая частота чаще всего используется, при записи музыкальных компакт-дисков. Впрочем часто подобное высокое качество не требуется, и частоту дискретизации позволено существенно снизить.

Качество воспроизведения тем лучше, чем выше частота дискретизации, но в то же время и размер занимаемое памяти звуковых данных при этом также возрастает, так что оптимального  значения частоты нет и частота всегда выбирается из расчета что более авторитетно качество или объем занимаемой памяти.

АЦП производит дискретизацию амплитуды звукового сигнала. Это значит , что при измерении имеется “сетка” стандартных уровней, и текущий уровень измеряемого сигнала округляется до ближайшего из них. В результате возникает линейная зависимость между величиной входного сигнала и номером уровня . То есть в том случае, когда, например, громкость увеличивается в 2 раза, то ожидается, что и соответствующее ему число вырастет двукратно. Но такое распределение применяется только в простейших случаях. Чаще всего при записи звука применяют неровные распределения степеней громкости, в основе которых лежит счетный закон. Таким образом, в ходе оцифровки звука мы получаем поток целых чисел, притом количество числа соответствует мощи звука в этот момент.