Основные сведения о цифровом представлении звуковой информации. Определение звука. Запись звука.

Тема: Основные сведения о цифровом представлении звуковой информации. Определение звука. Запись звука.

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти колебания, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств животных.

Звукозапись — процесс записи звуковой информации с целью ее сохранения и последующего воспроизведения. Звукозапись производится по схеме: микрофон - усилитель электрических колебаний — устройство, воздействующее на носитель записи.

1. Понятие и основные характеристики цифрового звука.

Цифровой звук — это аналоговый (т.е. непрерывный) звуковой сигнал, представленный посредством дискретных (т.е. отдельных) численных значений его амплитуды.

Характеристика цифрового звука:

1. Частота дискретизации - это количество измерений громкости звука за одну секунду. Чем выше частота, тем выше звучание. Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/с. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.

2. Глубина кодирования звука - это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука (измеряется в битах).

Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука.

2. Преобразование и воспроизведение звуковой информации.

Процесс преобразования звуковых волн в двоичный код в памяти компьютера:

Аудиоадаптер (звуковая плата) – специальное устройство, подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении звука.

В процессе записи звука аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из регистра переписывается в оперативную память компьютера.

Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за 1 секунду соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду – 1 килогерц (кГц) = 1000 Гц. Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц и др.

Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 2⁸ = 256 (2¹⁶ = 65536) различных значений. Очевидно, что 16 – разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем 8 – разрядный.

Процесс воспроизведения звуковой информации, сохраненной в памяти ЭВМ:

Звуковой файл – файл, хранящий звуковую информацию в числовой двоичной форме. Как правило, информация в звуковых файлах подвергается сжатию.

Процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (т.е. цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).

Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

3.                 Принципы оцифровки звука.

Оцифровка звука — технология преобразования аналогового звукового сигнала в цифровой вид. Заключается в осуществлении замеров амплитуды сигнала с определенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде. Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.

Оцифровка звука включает в себя два процесса:

·                     процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени

·                     процесс квантования по амплитуде.

Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется, с определенным временным шагом — шагом дискретизации. Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой сэмплирования (от англ. «sampling» — «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале будет получено. Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью.

Линейное (однородное) квантование амплитуды

Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N -битного слова можно описать 2^N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды — динамический диапазон сигнала — в виде 2^N −1 равных промежутков, разделив его на 2^N уровней — квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2^N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).

Точность округления зависит от выбранного количества (2^N) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования (подразумевая количество разрядов, то есть бит, в каждом слове), а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или сэмплами (от англ. «sample» — «замер»). Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными.

Таким образом, способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией, ИКМ (англ. Pulse Code Modulation — PCM).

Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM (Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.

Задача 1. Определить информационный объем стерео аудио файла длительностью звучания 1 секунда при высоком качестве звука (16 битов, 48 кГц).

Запись условия T=1 сек I=16 бит D= 48 кГц Стерео - ×2 A=?

Решение A= 2 x T ×I × D A=1 ×16 × 48 000 × 2= 1536000 бит/8 = 192000 байт/1024 = 187,5 Кбайт

Задача 2. Определить информационный объем цифрового аудио файла длительностью звучания, которого составляет 10 секунд при частоте дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 битов.

Запись условия T=10 сек I=8 бит H= 22,05 кГц Моно- ×1 V=?

Решение V= T ×I × H × 1 V=10 ×8 × 22,05 × 1=10 × 8 × 22 050 бит/8 = 220500 байт/1024 = 215,332/1024 Кбайт = 0,21 Мбайт

Задача 3. Определить объем памяти для хранения цифрового аудиофайла, время звучания которого составляет две минуты при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрешении 16 битов.

Запись условия T=2 мин I= 16 бит H= 44,1 кГц Моно- ×1 V=?

Решение V= T ×I × H × 2 V=2×60 ×16 × 44,1 × 1= (120 × 16 × 44010) бит = 84672000 бит/8= 10584000байт/1024 = 10335,9375 Кбайт/102 = 10,09 Мбайт

Задача 4. В распоряжении пользователя имеется память объемом 2,6 Мб. Необходимо записать цифровой аудиофайл с длительностью звучания 1 минута. Какой должна быть частота дискретизации и разрядность?

Запись условия V=2,6 Мб T=1 мин Моно- ×1 I= ? H= ?

Решение V= T ×I × H × 1; I × H= V /  T I × H= 2,6 Мб/1 мин. = 2,6×1024×1024×8 бит/ 60 сек=21810380,8/60= 363506,237 363506,237/8=45438,3 363506,237/16=22719,15 Ответ. Если I=8 ,бит, то H=44,1 кГц. Если I=16 бит, то H=22,05 кГц.

Домашнее задание: Решить задачи 5-9.

Задача 5. Объем свободной памяти на диске — 5,25 Мб, разрядность звуковой платы — 16 бит. Какова длительность звучания цифро­вого аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 22,05 кГц?

Задача 6. Одна минута записи цифрового аудиофайла занимает на диске 1,3 Мб, разрядность звуковой платы - 8. С какой частотой дискретизации записан звук?

Задача 7. Какой объем памяти требуется для хранения цифрового аудиофайла с записью звука высокого качества при условии, что время звучания составляет 3 минуты?

Задача 8. Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,05 Мб. Частота дискретизации — 22 050 Гц. Какова разрядность аудиоадаптера?

Задача 9. Объем свободной памяти на диске — 0,1 Гб, разрядность звуковой платы — 16. Какова длительность звучания цифрового аудиофайла, записанного с частотой дискретизации 44 100 Гц?