Основные разделы


Оцифровка звука и его хранение на цифровом носителе

Акустический звук представляет собой непрерывный во времени и по амплитуде процесс, то есть давление воздуха изменяется во времени плавно, а не перепрыгивает от одного значения к другому. Акустический звук может быть преобразован в электрический сигнал при помощи микрофона, который в зависимости от изменения давления воздуха изменяет создаваемое им на выходе электрическое напряжение. После перевода акустического звука в электрический сигнал непрерывность во времени и по амплитуде сохраняется: напряжение сигнала изменяется аналогично изменению давления воздуха, вот почему данный звук называют аналоговым. Мы можем записать электрический сигнал на магнитную ленту и превратить его вновь в звук при помощи динамика, который работает как "микрофон наоборот": перемещает воздух в соответствии с изменениями напряжения. Соответственно, сохраняется и упомянутая непрерывность сигнала.

Несмотря на то, что аналоговый электрический сигнал исправно служит человечеству на протяжении десятилетий, со временем отдельным его (человечества) представителям стало ясно, что аналоговые сигнал и магнитная запись - не лучшие способы передачи и хранения звуковой информации, поскольку и при передаче и при хранении происходят неизбежные потери, то есть ухудшение звука. В то же время, передачу и хранение данных в компьютерах, оперирующих исключительно цифровыми данными, возможно производить без каких-либо потерь.

Для решения этой задачи существуют специальные устройства, известные как аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Эти устройства способны преобразовать непрерывный аналоговый сигнал в последовательность отдельных чисел, то есть сделать его дискретным (англ. discrete - раздельный, состоящий из отдельных частей). Преобразование происходит следующим образом (Рисунок 2.1.1): устройство много раз в секунду измеряет амплитуду аналогового сигнала и выдает результаты измерений в виде чисел.

Рисунок 2.1.1 - Дискретизация сигнала

Как видно на рисунке, результат измерений не является точным аналогом непрерывного электрического сигнала. Очевидно, что соответствие сигналов будет тем полнее, чем чаще происходят измерения и чем они точнее. Частота, с которой производятся измерения, называется частотой дискретизации. А на точность измерений амплитуды указывает число бит, использующихся для представления результата измерений. Этот параметр называют разрядностью.

Преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантования по амплитуде. Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом своих отсчетов, взятых через равные промежутки времени. Например, когда мы говорим, что частота дискретизации 44,1 кГц, то это значит, что сигнал измеряется 44100 раз в течении.

Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового сигнала. Как уже было сказано, чем больше частота - тем точнее соответствует цифровой сигнал аналоговому. Однако, пропорционально увеличению частоты возрастают:

а) интенсивность потока цифровых данных, а пропускные возможности интерфейсов не безграничны, особенно если записывается/воспроизводится одновременно несколько каналов;

б) вычислительная нагрузка на цифровые процессор, а их вычислительные возможности также ограничены;

в) объем памяти, необходимой для хранения цифрового сигнала. Очевидно, что необходим компромисс.

От выбора частоты дискретизации зависит частотный диапазон полученного цифрового звука или максимальная частота аналогового сигнала, правильно представленная в цифровом. Считается, что диапазон частот, которые производит человек, составляет от 400 до 2800 Гц. Согласно известной теореме Котельникова, для того, чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты:

fдискр=2*Fмах (2.1.1)

где Fмах - верхняя частота в спектре

Звуковая частота, равная половине частоты дискретизации, называется частотой дискретизации и является максимальной частотой, которую данная цифровая система может правильно сохранить и воспроизвести. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который мы собираемся преобразовать в цифровую форму, содержит частотные компоненты от 400 Гц до 2800 Гц, то частота дискретизации такого сигнала должна быть не меньше, чем 6,5 кГц. Повышенная частота дискретизации поможет избавиться от помех.

Второй этап - это квантование амплитуды дискретных отсчетов, полученных на первом этапе. Представим себе, что отсчет представляет собой некий столбик или полоску, наподобие той, что мы видим на студийном индикаторе уровня сигнала. Длина этой полоски и есть амплитуда сигнала в данном отсчете. Процесс квантования амплитуды тогда можно представить как измерение длины полоски с помощью линейки. Чем чаще идут метки на линейке, тем точнее мы можем измерить длину полоски (амплитуду) и тем меньше будут ошибки измерений (Рисунок 2.1.2). Однако, чем чаще расположены метки на линейке - тем больше цифр (бит) нам потребуется для записи числа, соответствующего измеренной нами длине полоски (амплитуде сигнала в отсчете). Например, если на линейке 32 метки, то для представления длины полоски (амплитуды) в виде числа понадобится максимум 5 бит (32=25). В данном случае 5 бит и будет разрядностью АЦП.

Перейти на страницу: 1 2

Прочитайте еще и эти статьи:

Исследование методов повышения производительности в Ad-Hoc сетях
Беспроводные сети позволяют людям связываться и получать доступ к приложениям и информации без использования проводных соединений. Это обеспечивает свободу передвижения и возможность использования приложений, находящихся в других частях дома, г ...

Исследование и разработка системы радиоакустического зондирования для измерения параметров ветровых потоков в атмосферном пограничном слое
Жизнь и деятельность человека протекают в атмосфере Земли и зависят в значительной степени от ее состояния. Атмосфера - чрезвычайно сложный и динамичный объект, требующий для исследования соответствующих теоретических и экспериментальных ме ...

© Copyright 2018 | www.techattribute.ru