11.1. Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование звуковой информации

Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он проходит через звуковой тракт и попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, которое переводит сигнал в цифровую форму.

В упрощенном виде принцип работы АЦП заключается в следующем: он измеряет через определенные промежутки времени амплитуду сигнала и передает дальше, уже по цифровому тракту, последовательность чисел, несущих информацию об изменениях амплитуды.

Наиболее очевидный способ хранения звуковых данных в файле –последовательная запись значений дискретизации. Эта простая схема известна как импульсно-кодовая модуляция (pulse code modulation, PCM). Такое причудливое название было заимствовано из старой электротехнической терминологии. В принцип дискретизации аналогового сигнала – заложено квантование.

Через определенный квант (sample) времени, при записи, замеряется значение амплитуды входного сигнала и записывается в файл в виде n-разрядного (n-битного) кодового слова. Семпл – это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала.

Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке называют его дискредитацией.

Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды. Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность.

Частота дискретизации (sample rate) – это частота, которая определяет продолжительность кванта времени. Обычно, оптимальной считается частота дискретизации 44100 Гц – это значит что производится измерение проводится 44100 раз в секунду. Ниже приведены некоторые стандартные значения этой частоты и её качественные эквиваленты.

11025 Гц – телефонная линия;

22050 Гц – радиостанция;

44100 Гц – аудио компакт диск.

В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту семплирования 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно.

Разрядность цифрового звука, определена длинной кодового слова, предназначенного для каждого значения уровня сигнала. Для этой цели используют 8-ми и 16-ти битные слова (дискреты). Поскольку звук – это колебания, то значения могут быть и отрицательные, т.е. если используется 8-ми битная дискретизация, то значение амплитуды изменяется в диапазоне от –128 до 128, причем 0 – отсутствие звукового сигнала, тишина. Если звук – стерео, то для каждого канала записывается свое значение. Здесь описана схема размещения данных wave файла. В моно wave файле кодовые слова расположены последовательно один за другим: sample[0], sample[1], sample[2]... В стерео wave файле сэмплы идут попарно: left[0], right[0], left[1], right[1], left[2]...