Представление звуковой информации

Звук с физической точки зрения представляет собой одномерную акустическую волну. Для ее представления в виде, пригодном для СВТ, необходимо выполнить кодирование звука (рис. 3.11).

Кодирование звука состоит из нескольких этапов:

Рис. 3.11. Схема обработки звукового сигнала.

• 1. Звуковая волна преобразовывается в электрический аналог звука. Он представляет собой колебания электрического напряжения. Для преобразования используется микрофон или иная аналоговая звукозаписывающая аппаратура. Полученный аналог является непрерывным и не пригоден для цифровой компьютерной обработки.
• 2. Электрический аналог звука преобразовывается в цифровой код путем пропуска через аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
• 3. Для воспроизведения звука выполняется обратное преобразование через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Обработка сигнала в АЦП состоит в формировании дискретных значений напряжений U через равномерные промежутки времени. При этом выполняются три этапа обработки: дискретизация, квантование, кодирование.

Процесс дискретизации (дискретизации по времени) заключается в замене непрерывного во времени сигнала на его дискретные значения (рис. 3.12). Дискретный сигнал в этом случае будет иметь вид узких импульсов с амплитудами, равными значениям сигнала в моменты кТд, к = 1,2,3,…; Тд — период дискретизации. Предполагается, что уровень сигнала можно считать постоянным (с некоторым допущением) в течение всего интервала Тд. Количество замеров амплитуды сигнала в одну секунду называется частотой дискретизации и измеряется в герцах (1 Гц = 1/с).

Рис. 3.12. Дискретизации звукового сигнала.

Звуковая волна обычно представляет собой сумму нескольких синусоидальных волн. Пусть и? — самая высокая частота среди составляющих волн. Доказано, что для адекватного отражения гармонического сигнала (волны) в дискретной форме достаточно выбрать частоту дискретизации сил = 2w (упрощенная форма теоремы В.А. Котельникова). Выбирать большую частоту дискретизации не имеет смысла, так как и) и так самая высокая частота.

С практической точки зрения упомянутая теорема означает, что для адекватного отражения всех слышимых человеком частот (максимально около 20 кГц) частота дискретизации при оцифровке должна быть не менее 40 кГц (40 000 измерений амплитуды в секунду). На практике используются как меньшие, так и большие частоты дискретизации. Например, для оцифровки речи и для телефона считается достаточным 8 кГц, для радио — 22 кГц, AudioCD — 44 кГц, DVD — 48 кГц.

В процессе квантования весь диапазон изменения сигнала от самого малого значения U_min до самого большого U_max делится на N шагов (уровней) квантования, промежутков величиной? = (?/_max — U_m-_m)/N. Например, в реальных системах передачи речи может быть выбрано N = 256 квантов. Это число позволяет обеспечить хорошую разборчивость речи. Если амплитуда импульса попадает в промежуток 6_г = щ—и±и где щ и Щ- — границы г-го шага квантования, то ему ставится в соответствие порядковый номер i шага квантования (рис. 3.13).

Кодирование заключается в переводе номера шага квантования в двоичный код. Количество разрядов т, которое необходимо для кодирования каждого из N шагов квантования определяется как log₂ N. Последовательность m-разрядпых кодовых ком;

Рис. 3.13. Квантование звукового сигнала.

бинаций и представляет собой цифровой сигнал. Величина т определяет размер цифрового аудиопотока: чем больше бит используется для кодирования шага квантования, тем большее количество информации придется хранить (передавать).

Качество цифрового звука обычно оценивают, но двум параметрам: частоте дискретизации oJd и количестве информации в секунду аудиопотока (скорости аудиопотока). Последний параметр непосредственно связан с величиной т: если аудиосигнал оцифровывается с частотой Гц, а для квантования отводится т бит, то количество информации в секунде цифрового звука 1_Ц.₃. вычисляется как.

Величина 1_Ц,₃. измеряется в bps (англ, bits per second) — бит в секунду, а также более крупных единицах — килобитах (Kbps), мегабитах (Mbps) в секунду (о единицах измерения см. параграф 1.6).

Пример 3.14. Какова скорость аудиопотока для цифровой АТС с частотой дискретизации 8 кГц при 256 уровнях квантования?

Решение. Для кодирования одного уровня потребуется т = log₂ 256 = 8 бит. В соответствии с формулой (3.5) 1 секунда звуковой записи займет объем памяти 8 кГц — 8 бит = = 64 Kbps. Скорость 64кбит/с — это скорость стандартного цифрового канала. ?

Звук высокого качества получается с музы капы юго компакт-диска (AudioCD), для которого частота дискретизации = 44,1 кГц, т = 16 бит. Кроме того, на качество звука влияют и другие параметры: количество каналов (моно, стерео, квадро и др.), алгоритм сжатия, технические характеристики средств воспроизведения звука и т. д.