Цифро-аналогове та аналого-цифрове перетворення звукової інформації
Коротко розглянемо процеси перетворення звуку з аналогової форми на цифрову і навпаки.
Звукові хвилі за допомогою мікрофона перетворюються на аналоговий змінний електричний сигнал. Він проходить через звуковий тракт і потрапляє ваналого-цифровий перетворювач (АЦП)- пристрій, який переводить сигнал у цифрову форму.
У спрощеному вигляді принцип роботи АЦП полягає в наступному: він вимірює через певні проміжки часу амплітуду сигналу і передає далі, вже цифровим трактом, послідовність чисел, що несуть інформацію про зміни амплітуди.
Під час аналого-цифрового перетворення жодного фізичного перетворення немає. З електричного сигналу знімається відбиток, що є цифровою моделлю коливань напруги в аудіотракті. Цифровий сигнал за своєю природою дискретний - тобто переривчастий, тому цифрова модель не зовсім відповідає формі аналогового сигналу.
Семпл- це проміжок часу між двома вимірами амплітуди аналогового сигналу.
Дослівно Sample перекладається з англійської як «зразок». У мультимедійній та професійній звуковій термінології це слово має кілька значень. Крім проміжку часу семплом називають будь-яку послідовність цифрових даних, які отримані шляхом аналого-цифрового перетворення. Сам процес перетворення називають семплюванням. українською технічною мовою його називаютьдискредитацією.
Виведення цифрового звуку відбувається за допомогоюцифро-аналогового перетворювача (ЦАП), який на підставі цифрових даних, що надходять, у відповідні моменти часу генерує електричний сигнал необхідної амплітуди.
Параметри семплювання
Важливими параметрами семплювання єчастотаірозрядність.
Частота- кількість вимірювань амплітуди аналогового сигналу за секунду.
Якщо частота семплювання більш ніж удвічі перевищуватиме частоту верхньої межі звукового діапазону, то, на високих частотах відбуватимуться втрати. Цим пояснюється, що стандартна частота для звукового компакт-диска - це частота 44.1 кГц. Так як діапазон коливань звукових хвиль знаходиться в межах від 20 Гц до 20 кГц, кількість вимірювань сигналу в секунду повинна бути більше, ніж кількість коливань за той же проміжок часу. Якщо ж частота дискредитації значно нижча за частоту звукової хвилі, то амплітуда сигналу встигає кілька разів змінитися за час між вимірюваннями, а це призводить до того, що цифровий відбиток несе хаотичний набір даних. При цифро-аналоговому перетворенні такий семпл не передає основний сигнал, а лише шум.
У форматі компакт-дисків Audio DVD за секунду сигнал вимірюється 96 000 раз, тобто. застосовують частоту семплювання 96 кГц. Для економії місця на жорсткому диску в мультимедійних додатках часто застосовують менші частоти: 11, 22, 32 кГц. Це призводить до зменшення чутного діапазону частот, отже, відбувається сильне спотворення те, що чутно.
Розрядністьзазначає, з якою точністю відбуваються зміни амплітуди аналогового сигналу. Точність, з якою при оцифровці передається значення амплітуди сигналу кожен з моментів часу, визначає якість сигналу після цифро-аналогового перетворення. Саме від розрядності залежить достовірність відновлення форми хвилі.
Для кодування значення амплітуди використовують принцип бінарного кодування. Звуковий сигнал повинен бути представлений у вигляді послідовності електричнихімпульсів (двійкових нулів та одиниць). Зазвичай використовують 8, 16-бітове або 20-бітове уявлення значень амплітуди. Від частоти дискредитації (кількості вимірювань рівня сигналу за одиницю часу) залежить якість кодування.Зі збільшенням частоти дискредитації збільшується точність двійкового подання інформації.При частоті 8 кГц (кількість вимірювань за секунду 8000) якість семпльованого звукового сигналу відповідає якості радіотрансляції, а за частоті 48 кГц (кількість вимірювань за секунду 48000) - якості звучання аудіо-CD.
Якщо використовувати 8-бітове кодування, можна досягти точності зміни амплітуди аналогового сигналу до 1/256 від динамічного діапазону цифрового пристрою (2 8 = 256).
Якщо використовувати 16-бітове кодування для представлення значень амплітуди звукового сигналу, то точність виміру зросте у 256 разів.
У сучасних перетворювачах прийнято використовувати 20-бітове кодування сигналу, що дозволяє отримувати високоякісне оцифрування звуку.
Формат Audio DVD використовує розрядність 24 біта та частоту семплювання 96 кГц.
Підрахувати, скільки місця займатиме одна хвилина цифрового звуку на жорсткому диску або будь-якому іншому цифровому носії, записаному з частотою
та розрядністю 16 біт.
а) Якщо записують моносигнал з частотою 44.1 кГц, розрядністю 16 біт (2 байти), то кожну хвилину аналого-цифровий перетворювач видаватиме 441000 * 2 * 60 = 529 000 байт (близько 5 Мб) даних про амплітуді аналог який у комп'ютері записуються на жорсткий диск.
Якщо записують стереосигнал, то 1058000 байт (близько 10 Мб).
б) для частот 11, 22, 32 кГц розрахунки здійснюються аналогічно.
Який обсяг даних маємоноаудіофайл, тривалість звучання якого 1 секунда, за середньої якості звуку (16 біт, 24 кГц)?
16 біт * 24 000 = 384 000 біт = 48 000 байт = 46 875 кілобайт.
Розрахуйте обсяг стереоаудіофайлу тривалістю 20 секунд при 20-бітному кодуванні та частоті дискредитації 44.1 кГц.Варіанти: 44,1 Mb, 4.21 Mb, 3,53 Mb.
Визначте кількість рівнів звукового сигналу під час використання 8-бітових звукових карток.Варіанти: 256, 512,1024, 65536.
а) аналогового способу представлення звукової інформації;
б) дискретного способу представлення звукової інформації.
Перерахуйте параметри, від яких залежить якість двійкового кодування звуку.