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 2N
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 2N −1 равных
промежутков, разделив его на 2N 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 2N 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 (2N)
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?
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.