585

Аналоговый и цифровой звук: характеристика

Речь, музыка, шум деревьев, пенье птиц – все это звуки, которые мы слышим ежедневно. Однако никто из нас не утруждает себя вопросом, что представляет собой звук? Как происходит его запись? Чем отличается аналоговый звук от цифрового? А ведь эта информация достаточно интересная, и с ней стоит ознакомиться.

Аналоговый и цифровой звук

Звук – что это?

Звук представляет собой физическое явление. Это упругие волны механических колебаний, распространяющиеся в газообразной, твердой или жидкой среде. Под звуком чаще рассматривают те колебания, которые воспринимаются животными и людьми. Основными характеристиками звука считаются амплитуда и спектр частот. Для людей второй показатель колеблется в диапазоне 16-20Гц – 15-20 кГц. Все что ниже этого диапазона, называют инфразвуком, выше – ультразвуком (до 1 ГГц) или гиперзвуком (от 1 ГГц). Громкость звука формирует звуковое давление и его эффективность, форма колебаний и их частота, а вот высота звука зависит от величины звукового давления и частоты.

Аналогово цифровое преобразование

Звуковой сигнал может быть аналоговым или цифровым. Если рассматривать аналоговый сигнал, исходящий из аналоговой аппаратуры, то представляет он собой непрерывный электрический сигнал. Цифровой звук – это сигнал, представленный дискретными численными значениями его амплитуды. То есть такой сигнал записывается в виде чисел, а считывается он компьютерной техникой.

Аналоговый и цифровой звук

Аналоговый звук можно преобразовать в цифровой путем обработки аналогового сигнала, придавая ему численных значений. Сделать это можно в два этапа. Первый – дискретизация, в ходе которой из сигнала, который необходимо преобразовать, в определенные временные промежутки выбирают величины по заданным значениям. Второй – квантование: процесс разбиения значений, полученных в ходе дискретизации значений амплитуды звука с максимально приближенной точностью.

В аналогово-цифровом преобразовании точные значения не используются – все величины указываются округленными, поскольку из-за ограничения оперативной памяти приборов реальное значение амплитуды указать невозможно – оно бесконечное.

Частота дискретизации и разрядность

Эти два понятия часто рассматривают во время описания цифровых записывающих приборов. Итак, частота дискретизации означает частоту, с которой фиксируется частотность отсчетов входных сигналов записывающим устройством. Когда аналоговый звук преобразовывают в цифровой, он записывается отдельными отсчетами, то есть значениями интенсивности сигнала в конкретные временные периоды.

Частота дискретизации чаще всего имеет следующие стандартные значения:

  • 44,1 кГц;
  • 48 кГц;
  • 96 кГц.

Чтобы получить лучшее качество цифровой записи, следует использовать большую частоту дискретизации: за счет большего количества отсчетов за секунду времени улучшается качество преобразованного звука.

А что же такое разрядность? Когда речь заходит о записывающих устройствах, мы часто слышим такие единицы измерения информации, как 16 бит, 24 бита и т.д. Обозначают они количество единиц информации, которыми можно изобразить значение отсчетов, получаемых при цифровой записи (причем каждого отсчета в отдельности). В этом случае качество получаемого звука тем выше, чем большая величина единицы измерения. Однако стоит учесть, что не от количества бит зависит значение интенсивности звука, а от точности его представления.

Джиттер и шум квантования

В АЦП рассматривают еще и такие понятия, как джиттер и шум квантования. Рассмотрим коротко, что они собой представляют.

Итак, джиттер называют фазовым дрожанием цифрового сигнала. В целом это нежелательные (случайные) фазовые и/или частотные отклонения сигнала, что передаются носителем. Может возникнуть по причине нестабильности работы задающего генератора из-за изменения параметров (временных или частотных) линии передачи. Джиттер может проявляться в виде задержек и затухания сигнала, шумов.

В АЦП джиттером называют смещение во временном периоде моментов квантования во время оцифровки аналогового звука. Связано это с несовершенством тактового сигнала, который задает момент семплирования.

Шумом квантования называют ошибки, которые возникают в процессе преобразования аналогового сигнала в цифру. Могут возникать вследствие округления или усечения сигналов. Оба рассмотренные явления влияют на качество итогового звучания. Поэтому, чтобы избежать данных ошибок, во время АЦП передачу сигнала с одного регистра на другой следует осуществлять максимально точно. Кроме того, важно использовать качественную аппаратуру для преобразования сигнала: это касается и звукозаписывающих приборов, и источников питания, и кварцевых генераторов.

Цифро аналоговое преобразование

Когда звук был преобразован в цифровой сигнал, чтобы его прослушать, его необходимо снова перевести в аналоговое звучание. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи. На примере аудио интерфейсов рассмотрим, как происходит этот процесс. Аналоговый звук попадает в микшер (аналоговый вход) и направляется в АЦП, где он квантуется и дискретизируется. Полученный цифровой сигнал на выходе проходит такой же процесс, только обратный: данные проходят через цифро-аналоговый преобразователь, который превращает их в аналоговый сигнал. На схеме процесс выглядит так:

Громкость в цифровом звуке

Громкость цифровых сигналов не должна превышать 0db. Если не учитывать этот нюанс, на входе или выходе мы получаем перегрузку цифрового сигнала. Это значение является самой высокой точкой, то есть пиковым значением. Она позволяет записывать качественный звук и воспринимать его надлежащим образом. Если превысить это значение, сигнал искажается, а оборудование от перенагрузки может испортиться.

Кроме пиковой точки, понятие громкости включает в себя еще и такой элемент, как значение RMS. Этим понятием определяют уровень актуальной громкости, который отражает плотность записи и выдает информацию о громкости, которую способен воспринять наш слух. RMS обозначают в децибелах, но с минусовым значением: звук тем громче, чем больше числовое значение RMS (максимально громко - -6db, максимально тихо - -20db). Оптимальные значения цифровой громкости - -12db -  -10db.

Стереофония и панорама

Стереофонией называют запись, передачу или воспроизведение звукового сигнала, при которых сохраняется информация аудиального типа о расположении источника этого сигнала методом раскладки звука парой и более независимыми аудиоканалами. При правильном расположении музыкальных вещателей можно получить объемное пространственное звучание. При этом создается ощущение, что звук с разными фазами исходит из разных источников.

Панорама – это, по сути, установленное направление источника звука по трем пространственным характеристикам – удаленности, высоте и направлению. Благодаря панорамированию мы получаем:  

  • равномерное распределение энергии звука;
  • разграничение источников сигнала с одинаковым диапазоном и частотой звучания;
  • специальные эффекты.

Чтобы создать качественную звуковую панораму, необходимо правильно расставить элементы, подающие сигнал. В идеале это выглядит так:

То есть центральный канал звукового источника должен располагаться между левым и правым каналом. Такое размещение стереофонических источников позволит получить максимально полное, чистое и насыщенное звучание звука.

Основные форматы аудио файлов

На самом деле форматов, с помощью которых можно читать аудио файлы, очень много. Но есть те, которые получили всеобщее признание. Все они делятся на три группы:

  • аудиоформаты без сжатия;
  • со сжатием без потерь;
  • со сжатием с потерями.

Рассмотрим основные форматы аудио файлов:

  1. WAV – первый аудио формат, который мог обрабатываться компьютерными программами на высоком профессиональном уровне. Недостаток – запись занимает слишком много места.
  2.  CD-диски – расширение .cda не поддается редактированию, однако его можно переформатировать и сохранить любой программой по обработке аудио.
  3. MP3 кодек – универсальный формат, максимально сжимающий аудио файлы.
  4. AIFF-файлы – формат поддерживает монофонические и стереофонические данные размером 8 и 16 бит, изначально разрабатывался для Macintosh, однако после дополнительных разработок может использоваться и на других площадках ОС.
  5. OGG – популярный формат, однако имеет недостатки в виде использования собственных кодеков и декодеров и перегрузки системных ресурсов компьютера.
  6. AMR – низкопробный аудиоформат.
  7. Формат MIDI позволяет производить редактуру записи нажатием клавиш, изменением темпа, тональности, высоты, а также добавлением эффектов.
  8. FLAC – формат, воспроизводящий аудио в высоком качестве.

Способы обработки цифрового звука

Цифровой звук обрабатывают с помощью математических операций, которые применяют к отдельным отсчетам звука или к их группам разной длины. Математические операции могут имитировать традиционные аналоговые средства обработки (микширование, сложение, усиление или ослабление, модуляцию и т.д.) или альтернативные способы – спектральное разложение сигнала, коррекция частотных составляющих с обратной «сборкой» сигналов.

Обработка цифрового сигнала может быть линейной (проводится в реальном времени над «живым» звуком) и нелинейной (проводится с ранее записанным звуком). Обрабатываются звуки универсальными процессорами общего назначения (Intel 8035, 8051, 80x86, Motorola 68xxx, SPARC) или специализированными цифровыми сигнальными устройствами Analog Devices ADSP-xxxx, Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx и пр.

Способы обработки цифрового сигнала следующие:

  • линейная фильтрация;
  • анализ спектров;
  • временной и частотный анализ;
  • адаптивная фильтрация;
  • обработка нелинейного типа;
  • обработка многоскоростная;
  • свертка;
  • секционная свертка.

Как видим, даже простой аналоговый звук может быть качественным. Для этого нужно совсем немного – просто уметь его отформатировать и преобразовать. А чтобы научиться этому искусству, можно пройти специальный обучающий курс.  




comments powered by HyperComments