4.4. Представление звуковых данных в двоичном коде

Звук — это упругая продольная волна в воздушной среде. Чтобы ее представить в виде, читаемом компьютером, необходимо выполнить следующие преобразования. Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и не пригоден для обработки на цифровом компьютере. Чтобы перевести сигнал в цифровой код, надо пропустить его через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование — цифро-аналоговое (через ЦАП). Позже будет показано, что конструктивно АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера.

Во время оцифровки сигнал дискретизируется по времени и по уровню. Дискретизация по времени выполняется следующим образом: весь период времени Т разбивается на малые интервалы времени t, точками t1, t2, … tn. Предполагается, что в течение интервала t уровень сигнала изменяется незначительно и может с некоторым допущением считаться постоянным. Величина v = I/t называется- частотой дискретизации. Она измеряется в герцах (Гц) — количество измерений в течение секунды. Дискретизация по уровню называется квантованием и выполняется так: область изменения сигнала от самого малого значения X_min до самого большого значения Х_мах разбивается на N равных квантов, промежутков величиной

Х = (Х_мах – X_min)/N.

Точками Х₁, Х₂, … Х_п. X_i = X_min.+ Х • (i – 1).

Каждый квант связывается с его порядковым номером, т.е. целым числом, которое легко может быть представлено в двоичной системе счисления. Если сигнал после дискретизации по времени (напомним, его принимаем за постоянную 42ОС42лирну) попадает в промежуток X_i-1 < X < X_i , то ему в соответствие ставится код i.

Возникают две задачи:

• первая: как часто по времени надо измерять сигнал,

• вторая: с какой точностью надо измерять сигнал, чтобы получить при воспроизведении звук удовлетворительного качества.

Ответ на первую задачу дает теорема Найквиста, которая утверждает, что, если сигнал оцифрован с частотой v, то высшая «слышимая» частота будет не более v/2.

Вторая задача решается подбором числа уровней так, чтобы звук не имел высокого уровня шума и «электронного» оттенка звучания (точнее, это характеризуется уровнем нелинейных искажений). Попутно заметим, что число уровней берется как 2ⁿ. Чтобы измерение занимало целое число байт; v выбирают n = 8 или n = 16, т.е. каждое измерение занимает один или два байта.

Высокое качество воспроизведения получается в формате лазерного аудиодиска при следующих параметрах оцифровки: частота дискретизации — 44,1 кгц, квантование — 16 бит, т.е. Х = (Х_мах – X_min)/ 2¹⁶. Таким образом, 1 с стереозвука займет 2 байт  44100байт/с 2 кан  1 с = 176 400 байт дисковой памяти. Качество звука при этом получается очень высоким.

Для телефонных переговоров удовлетворительное качество получается при частоте дискретизации 8 кгц и частоте квантования 255 уровней, т.е. 1 байт, при этом 1 с звуковой записи займет на диске

1 байт  8000 байт/с  1 с = 8000 байт.