-
Звуковая информация
Звук представляет собой колебания физической среды (обычно воздуха) частотой приблизительно 20 ÷20000 Гц, все современные системы обработки звука основаны на преобразовании этих колебаний в электрический сигнал, последующей его (аналоговой или цифровой) обработки и вывода вновь в виде колебаний физической среды. Эффект стереофонии достигается временной разницей колебаний, легко улавливаемой благодаря наличию приблизительно 20-сантиметровой базы между приемниками аудиоинформации – ушами (разница порядка 7×10-4 сек).
В самом начале своей истории компьютер фирмы IBM был оснащен примитивным динамиком, позволявшем (посредством драйвера SPEAKER.DRV) воспроизводить звуки (одновременно) одного тона без регулировки уровня звука; именно в это время были разработаны основные принципы преобразования звука для бытовых компьютеров.
Первый шаг к более серьезной работе со звуком был сделан в 1987 г., когда фирма Creative Labs (www.creative.ru) разработала Creative Music System (C/MS), представлявший собой 12-голосный стереомузыкальный синтезатор, начавший распространяться в 1989 г. под маркой Game Blaster. Огромный коммерческий успех этой карты привел в скором времени к появлению других подобных карт, наиболее известной из которых являетсякарта AdLib; в основе их функционирования лежит методё известный как нижеописанный ‘синтез путем частотной модуляции’ (FM Syntesis, см. ниже).
Запись произвольного звука осуществляется путем прямой оцифровки аналогового сигнала, представляющего собой электрическую копию звукового давления (преобразователем является датчик звукового давления микрофон). Частота оцифровки (частота преобразования) называется частотой выборки сигнала и по известной теореме Котельникова-Найквиста должна быть не ниже удвоенного значения максимальной частоты преобразуемого сигнала (например, если спецификация MPC Level 1 определяет частоту преобразования 11 kГц, то верхний предел записываемой частоты составляет около 5 kГц).
Преобразование аналогового сигнала в цифровую форму выполняет аналого-цифровой преобразователь (АЦП), служащий для дискретизации сигнала по времени (частота оцифровки) и квантования по уровню (собственно цифровое представление сигнала). Обычно в АЦП применяется технология преобразования с импульсно-кодовой модуляцией (PCM, Pulse Code Modulation). Временные промежутки между моментами преобразования сигнала называют интервалами выборки (Sampling Interval); эта величина обратно пропорциональна частоте выборки, или сэмплингом (Sampling Rate). Амплитуда аналогового сигнала (Sample Value) при каждом преобразовании делится (квантуется) по уровню и кодируется в соответствующий параллельный цифровой код (Digital Sample), время преобразования аналогового сигнала в цифровой код именуется временем выборки (Sampling Time), рис. 1.
Разрешающей способностью АЦП называется наименьшее значение аналогового сигнала, которое приводит к изменению цифрового кода. Например, если АЦП выдает 8-разрядный код, разрешающая способность равна 1/(28)=1/256 от максимальной амплитуды аналогового сигнала (около 0,4% в относительных единицах), 16-разрядный АЦП имеет точность представления сигнала не хуже 1/(216)=1/65536 (0,0015%).
Рис. 1. Характеристики процесса преобразования между аналоговым и цифровым сигналами
С увеличением разрядности АЦП растет его динамический диапазон (каждый дополнительный бит соответствует увеличению приблизительно на 6 дБ). 8-разрядное преобразование обеспечивает динамический диапазон 48 дБ (качество кассетного магнитофона), 12-разрядное – 72 дБ (качественный катушечный магнитофон), 16-разрядное – 96 дБ (качество аудиокомпакт-диска). Полученный с АЦП параллельный код разрядностью 8 ÷16 последовательно (побитно) записывается с частотой сэмплинга в аудиофайл (при необходимости используется буфферизация), при этом поток несжатых цифровых аудиоданных велик.