Представление звуковых данных

Звук – это упругая продольная волна в воздушной среде. Чтобы ее представить в виде, читаемом компьютером, необходимо выполнить следующие преобразования (рис. 1.5.1).

Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и непригоден 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 (ЦАП). АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера.

			АЦП

Токовый аналог Дискретизация Обработка

звука двоичного кода кода

Упругая

волна в

воздушной

среде U U

t t

Рис. 1.5.1. Схема обработки звукового сигнала

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 , точками t₁, t₂, …, t_n. Предполагается, что в течение интервала уровень сигнала изменяется незначительно и может с некоторым допущением считаться постоянным. Величина n= называется частотой дискретизации. Она измеряется в герцах. (Гц) – количество измерений в течение сек.

Дискретизация по уровню называется квантованием и выполняется так: область измерения сигнала от самого малого значения X _min до самого большого X _max разбивается на N равных квантов, промежутков величиной точками х_1, х₂, … , х_n, x_i = X_min + Каждый квант связывается с его порядковым номером, т.е. целым числом, которое легко может быть представлено в двоичной С.С. Если сигнал после дискретизации по времени попадает в промежуток x_i-1 , то ему в соответствие ставиться код i. Теорема Найквиста утверждает, что, если сигнал оцифрован с частотой , то высшая «слышимая» частота будет не более . Число уровней подбирается так, чтобы звук не имел высокого уровня шума и «электронного» оттенка звучания. Число уровней берется как 2ⁿ. Чтобы измерение занимало целое число байт, выбирают n=8 или n=16, т.е. один или два байта.

Высокое качество воспроизведения получается в формате лазерного аудиодиска при следующих параметрах оцифровки: частота дискретизации – 44,1 Гц, квантование – 16 бит, т.е. . Т.о. 1 сек стерео звука займет 2 байт * 44100 байт/с * 2 кан. * 1 с = 176400 байт дисковой памяти. При этом качество звука 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 сек звуковой записи, займет на диске 1 байт * 8000 байт/с * 1 с = 8000 байт.