1.4.6Представление звука

При наиболее распространенном способе кодирования звуковой информации амплитуда сигнала измеряется через равные промежутки времени и записываются полученные значения. Например, последовательность 0, 1.5, 2.0, 1.5, 2.0, 3.0, 4.0, 3.0, 0 описывает волну звука, амплитуда которой сначала увеличивается, затем немного уменьшается, затем снова повышается и, наконец, падает до 0 (рис. 1.17). Этот способ кодирования, в котором частота дискретизации составляет 8000 отсчетов в секунду, используется не первый год в дальней телефонной связи. Голос на одном конце канала кодировался в виде числовых значений, отражавших амплитуду звукового сигнала, восемь тысяч раз в секунду. Эти значения затем передавались по каналам связи и использовались для воспроизведения звука.

Может показаться, что 8000 отсчетов в секунду — это большая частота дискретизации, но она все же недостаточна для высокой точности воспроизведения музыки. Для получения качественного звучания на современных музыкальных компакт-дисках используется частота дискретизации, равная 44 100 отсчетов в секунду. Для данных, полученных при каждом отсчете, отводится 16 битов памяти (или 32 бита для стереозаписей). Следовательно, для хранения одной секунды звучания требуется более миллиона битов.

В музыкальных синтезаторах, компьютерных играх и звуковых сигналах, сопровождающих веб-страницы, широко используется более экономная система кодирования, которая называется цифровым интерфейсом музыкальных инструментов (MIDI — Musical Instrument Digital Interface).

При использовании стандарта MIDI не требуется столько места в памяти, как при дискретизации звукового сигнала, так как эта система кодирует указания, как следует порождать музыку, а не сам звуковой сигнал. Точнее, MIDI кодирует информацию о том, какой инструмент должен играть, какую ноту и какова продолжительность звучания этой ноты. Это означает, что для кларнета, играющего ноту ре в течение двух секунд, потребуется три байта, а не более двух миллионов битов, как в случае дискретизации сигнала с частотой 44 100 отсчетов.

Короче говоря, стандарт MIDI скорее похож на нотную запись, которую читает исполнитель, чем на само исполнение. Издержки метода — музыкальная запись в стандарте MIDI может звучать по-разному в исполнении различных музыкальных синтезаторов.

1.5 Двоичная система счисления

Перед тем как приступить к рассмотрению методов хранения числовой информации, применяемых в современных машинах, обсудим более подробно двоичную систему счисления.

Сложение в двоичной системе счисления

Перед тем как сложить два числа в двоичной записи, вспомним сначала основные правила сложения (рис. 1.18), как в начальной школе по отношению к десятичной системе счисления.

Используя эти правила, мы находим сумму двух чисел следующим образом: сначала складываем числа в последнем столбце, записываем младший разряд полученной суммы под столбцом, а старший (если он есть) — в следующий слева столбец, и продолжаем сложение. Например, решение задачи

+00111010 00011011

мы начинаем со сложения 0 и 1 в последнем столбце, получаем единицу, которую записываем под столбцом. Теперь мы складываем две единицы из следующего столбца, получая 10. Записываем 0 под столбцом, а 1 — над следующим столбцом. На этом этапе процесс решения выглядит следующим образом:

1

00111010 00011011 ■ 01

Складываем 1, 0 и 0, получаем 1 и записываем ее под этим столбцом. Следующие две единицы в сумме дают 10, записываем 0 под столбцом и переносим 1 в следующий столбец. Теперь решение выглядит так:

1

+00111010 00011011 ■ 0101

Три единицы в следующем столбце в сумме дают 11, записываем младшую 1 под столбцом, а другую переносим в следующий столбец. Теперь складываем 1, 1 и 0, получаем 10. Снова записываем 0 под столбцом, а 1 — в следующий столбец.

1

+00111010 00011011 ■

010101

Складываем 1, 0 и 0 из предпоследнего столбца, получаем 1, записываем ее под столбцом. И, наконец, сумма чисел в последнем столбце равна 0, записываем ее под столбцом. Окончательное решение выглядит так:

+00111010 00011011

01010101