Цифровий звук

Олександр РадзишевськийАвтор:
Олександр Чижов

Про все по-порядку

Останнім часом можливості мультимедійного обладнання значно зросли, проте цій області чомусь не приділяється достатньо уваги. Пересічний користувач страждає від нестачі інформації і змушений вчитися лише на власному досвіді і помилках. Цією статтею ми намагатимемося усунути це прикре непорозуміння. Ця стаття орієнтована на пересічного користувача і ставить за мету допомогти йому розібратися в теоретичних і практичних основах цифрового звуку, виявити можливості та основні прийоми його використання.

Що саме ми знаємо про звукові можливості комп'ютера, крім того, що в нашому домашньому комп'ютері встановлена звукова плата і дві колонки? На жаль, ймовірно через недостатність літератури або з якихось інших причин, але користувач, найчастіше, не знайомий ні з чим, крім вбудованого в Windows мікшера аудіо входів/виходів і Recorder'a. Єдине використання звукової карти, яке знаходить простий користувач - це виведення звуку в іграх, та прослуховування колекції аудіо. А, адже, навіть найпростіша на сьогоднішній день звукова плата, встановлена майже в кожному комп'ютері, вміє набагато більше - вона відкриває найширші можливості для всіх, хто любить і цікавиться музикою і звуком, а для тих, хто хоче створювати свою музику, звукова карта може стати всемогутнім інструментом. Для того щоб дізнатися що ж вміє комп'ютер в області звуку потрібно тільки поцікавитися і перед вами відкриються можливості, про які ви, можливо, навіть не здогадувалися. І все це не так складно, як може здатися на перший погляд.

Деякі факти і поняття, без яких важко обійтися:

Згідно з теорією математика Фур'є, звукову хвилю можна представити у вигляді спектра частот, що входять до неї.
Частотні складові спектру - це синусоїдальні коливання (так звані чисті тони), кожне з яких має свою власну амплітуду і частоту. Таким чином, будь-яке, навіть найскладніше за формою коливання (наприклад, людський голос), можна уявити сумою найпростіших синусоїдальних коливання певних частот і амплітуд. І навпаки, згенерувавши різні коливання і наклавши їх один на одного (змикшувавши, змішавши), можна отримати різні звуки.

Довідка: людський слуховий апарат/мозок здатний розрізняти частотні складові звуку в межах від 20 Гц до 1916 20 <unk> ц (верхня межа може коливатися залежно від віку та інших факторів). Крім того, нижня межа сильно коливається залежно від інтенсивності звучання.

Оцифрування звуку та його зберігання на цифровому носії

«Звичайний» аналоговий звук представляється в аналоговій апаратурі безперервним електричним сигналом. Комп'ютер оперує з даними в цифровому вигляді. Це означає, що і звук в комп'ютері представляється в цифровому вигляді. Як же відбувається перетворення аналогового сигналу на цифровий?

Цифровий звук - це спосіб представлення електричного сигналу за допомогою дискретних численних значень його амплітуди. Припустимо, ми маємо аналогову звукову доріжку хорошої якості (кажучи «гарну якість» будемо припускати нешумний запис, що містить спектральні складові з усього чутного діапазону частот - приблизно від 20 Гц до 20 <unk> ц) і хочемо «ввести» її в комп'ютер (тобто оцифрувати) без втрати якості. Як цього домогтися і як відбувається оцифрування? Звукова хвиля - це якась складна функція, залежність амплітуди звукової хвилі від часу. Здавалося б, що якщо це функція, то можна записати її в комп'ютер «як є», тобто описати математичний вид функції і зберегти в пам'яті комп'ютера. Однак практично це неможливо, оскільки звукові коливання не можна уявити аналітичною формулою (як y = x2, наприклад). Залишається один шлях - описати функцію шляхом зберігання її дискретних значень у певних точках. Іншими словами, в кожній точці часу можна виміряти значення амплітуди сигналу і записати у вигляді чисел. Однак і в цьому методі є свої недоліки, оскільки значення амплітуди сигналу ми не можемо записувати з нескінченною точністю, і змушені їх округлювати. Кажучи інакше, ми будемо наближати цю функцію по двох координатних осях - амплітудної і тимчасової (наближати в точках - значить, кажучи простою мовою, брати значення функції в точках і записувати їх з кінцевою точністю). Таким чином, оцифрування сигналу включає в себе два процеси - процес дискретизації (здійснення вибірки) і процес квантування. Процес дискретизації - це процес отримання значень величин перетворюваного сигналу на певні проміжки часу.

Квантування - процес заміни реальних значень сигналу наближеними з певною точністю (рис. 3).

Таким чином, оцифрування - це фіксація амплітуди сигналу через певні проміжки часу і реєстрація отриманих значень амплітуди у вигляді округлених цифрових значень (так як значення амплітуди є величиною безперервною, немає можливості кінцевим числом записати точне значення амплітуди сигналу, саме тому вдаються до Записані значення амплітуди сигналу називаються відліками. Очевидно, що чим частіше ми будемо робити заміри амплітуди (чим вище частота дискретизації) і чим менше ми будемо округлювати отримані значення (чим більше рівнів квантування), тим більш точне представлення сигналу в цифровій формі ми отримаємо. Відцифрований сигнал у вигляді набору послідовних значень амплітуди можна зберегти.

Тепер про практичні проблеми. По-перше, треба мати на увазі, що пам'ять комп'ютера не нескінченна, так що кожен раз при оцифровці необхідно знаходити якийсь компроміс між якістю (безпосередньо залежним від використаних при оцифровці параметрів) і займаним оцифрованим сигналом об'ємом.

По-друге, згідно теоремі Котельникова частота дискретизації встановлює верхню межу частот оцифрованого сигналу, а саме, максимальна частота спектральних складових дорівнює половині частоти дискретизації сигналу. Просто кажучи, щоб отримати повну інформацію про звук у частотній смузі до 22050 Гц, необхідна дискретизація з частотою не менше 44.1 <unk> ц.

Існують й інші проблеми та нюанси, пов'язані з оцифровкою звуку. Не сильно заглиблюючись у подробиці відзначимо, що в «цифровому звуці» через дискретність інформації про амплітуд оригінального сигналу з'являються різні шуми і спотворення (під фразою «в цифровому звуці є такі-то частоти і шуми» мається на увазі, що коли цей звук буде перетворений назад з цифрового виду в аналоговий, то в його звучний Так, наприклад, джиттер (jitter) - шум, що з'являється в результаті того, що здійснення вибірки сигналу при дискретизації відбувається не через абсолютно рівні проміжки часу, а з якимись відхиленнями. Тобто, якщо, скажімо, дискретизація проводиться з частотою 44.1 ц, то відліки беруться не точно кожні 1/44100 секунди, а то трохи раніше, то трохи пізніше. А оскільки вхідний сигнал постійно змінюється, то така помилка призводить до «захоплення» не зовсім вірного рівня сигналу. У результаті під час програвання оцифрованого сигналу може відчуватися деяке тремтіння і спотворення. Поява джиттера є результатом не абсолютної стабільності аналогово-цифрових перетворювачів. Для боротьби з цим явищем застосовують високостабільні тактові генератори. Ще однією неприємністю є шум дроблення. Як ми говорили, при квантуванні амплітуди сигналу відбувається її округлення до найближчого рівня. Така похибка викликає відчуття «брудного» звучання.

Невелика довідка: стандартні параметри запису аудіо компакт-дисків такі: частота дискретизації - 44.1 <unk> ц, рівень квантування - 16 біт. Такі параметри відповідають 65536 (216) рівням квантування амплітуди при взятті її значень 44100 разів на секунду.

На практиці, процес оцифрування (дискретизація і квантування сигналу) залишається невидимим для користувача - всю чорнову роботу роблять різноманітні програми, які дають відповідні команди драйверу (управляюча підпрограма операційної системи) звукової карти. Будь-яка програма (вбудований у Windows Recorder або потужний звуковий редактор), здатна здійснювати запис аналогового сигналу в комп'ютер, так чи інакше оцифровує сигнал з певними параметрами, які можуть виявитися важливими в подальшій роботі із записаним звуком, і саме з цієї причини важливо зрозуміти як відбувається процес оцифрування і які фактори впливають

 Наступна сторінка

 ⇣ Зміст

• Сторінка 1 - Стр.1 - Оцифрування звуку і його зберігання на цифровому носії.
• Сторінка 2 - Стр.2 - Перетворення звуку. Способи зберігання. Переваги і недоліки.
• Сторінка 3 - Стр.3 - До питання про обробку звуку. Апаратура.
• Сторінка 4 - Стр.4 - Програмне забезпечення. Перспективи і проблематика. Глосарій термінів.

 Коментувати () 

Якщо Ви помітили помилку - виділіть її мишею і натисніть CTRL + ENTER.

Матеріали за темою

Акустика Edifier M3600D - спасибі Лукасу за це!

Edifier R1280DB: більше можливостей за тих самих умов

Urbanears Baggen и Stammen: скандинавський погляд на домашню акустику

Бездротова гарнітура Microlab T964BT: комфорт на кожен день

Акустика Edifier S360DB - музика високої роздільної здатності

Огляд 2 .1-акустики Microlab M-105: еталон мінімалізму

"