9. Методы сжатия звуковой информации
Напомним, что звук, как и любой аналоговый сигнал может быть описан временной и спектральной диаграммами.
Оцифровка
звука сводится к дискретизации (взятию
отсчетов
амплитуды сигнала с шагом по времени
или частотой
),
последующему квантованию с шагом
и кодированию (аналого-цифровому
преобразованию).
С учетом особенностей слухового аппарата человека стандартизированы следующие уровни частот:
-
44 кГц ( для тренированного уха максимальной
воспринимаемой считается
)
-
22 кГц (в случае, когда восприятие
высокочастотных составляющих не
критично
)
-
8 кГц (для речевого сигнала – с учетом
экспериментально установленного порога
«слоговой разборчивости»
)
Один из классических способов сжатия – так называемая "адаптивная дифференциальная ИКМ" (АДИКМ) основан на следующем:
вместо кода абсолютного значения очередного импульса передают код изменения его амплитуды по отношению к предыдущему (дифференциальному);
при увеличении скорости применения сигнала шаг его квантования возрастает, а при уменьшении – уменьшается (адаптивность).
Использование АДИКМ позволяет уменьшить объем передаваемых данных примерно на порядок без потери информации.
Способ представления непрерывного сигнала последовательностью кодов, которые отражают амплитуду импульсов-отсчетов, называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ).
Частота дискретизации согласно теореме Найквиста-Котельникова должна быть не меньше удвоенной максимальной частоты спектра сигнала.
Погрешности квантования опре6деляются исходя из емкости кода для максимального уровня сигнала – 8 или 16 бит на отсчет.
Второй способ сжатия именуется компадированием и использует известную особенность человеческого слухового аппарата, вследствие которой ухо менее критично к погрешностям квантования при более громком звуке.
Механизм
компадирования выгладит следующим
образом (рис.11)
звуковой сигнал перед оцифровкой подается на так называемый «компрессор» КМП – нелинейный преобразователь, «растягивающий» слабые сигналы и «сжимающий» сильные;
после передачи зашумленный погрешностями АЦП сигнал подается на вход «эспандера», который в противоположность компрессору сжимает слабые сигналы и растягивает сильные, восстанавливая первоначальный баланс, при этом погрешности , попавшие в область слабых сигналов, уменьшаются, а сильных – возрастают.
Это не только позволяет учесть особенности человеческого восприятия звука, но и приводит к уменьшению «среднестатистических» погрешностей квантования: дело в том, что слабые сигналы встречаются чаще (мы, например, как правило, говорим вполголоса, а не кричим).
Компадирование получило очень широкое распространение в системах передачи звуковых сигналов. Стоит только добавить, что в современных системах вместо комбинации – аналоговый компрессор (эспандер) + АЦП (ЦАП) реально используются АЦП с нелинейной характеристикой.
Наряду с описанными при сжатии звука используются еще некоторые дополнительные способы, например:
урезание спектра сигналов (уменьшение частоты дискретизации при условии не критичности к качеству звучания);
сжатие участков «тишины» (когда амплитуда сигнала меньше определенного порогового значения).