38. Звук. Аналоговое представление звука в рэс бн. Оцифровка звука. Размер звукового файла.

Качество аналоговой записи обычно получается далеко не лучшим. Причиной этого являются разнообразные помехи, которыми всегда сопровождается запись на магнитную ленту, снижающие качество исходного сигнала. Основной недостаток аналого­вого звука - подверженность помехам. Этого недостатка полностью ли­шена цифровая технология записи звука. Именно поэтому цифровая тех­нология превзошла аналоговую и в недалеком будущем полностью вытес­нит и заменит ее.

Аналоговый звук воспринимается и записывается в виде электрических сигналов, пе­редаваемых в виде колебаний, которые могут быть изображены волни­стой линией (Рис. 1.1). В аналоговой форме звук представляет собой не­которую кривую уровня напря­жения, подаваемого, например, на наушники, в которых элек­трический сигнал преобразуется в колебания мембраны, в результате чего мы слышим звук. Электрический сигнал изменяется в зависимости от уровня громкости и частотных характеристик звука. Это изменение и способствовало возникновению терми­на «аналоговый». Накладываясь на исходный сигнал, помехи искажают его форму и уро­вень, меняя саму запись таким образом, что она больше не является точ­ным воспроизведением исходного звука.

Цифровые записи не подвержены значительным изменениям, характер­ным для аналоговых записей. Они осуществляются в двоичной форме, т.е. электрическими сигналами, имеющими лишь две величины «включено» или «выключено» («1» или «0») - сигнал есть или его нет. При появлении помех, даже если они могут изменить сигнал, схемы цифрового оборудо­вания, тем не менее, смогут определить наличие («включено») или отсут­ствие («выключено») сигнала. На языке единиц и нулей любая информа­ция может быть передана точно. Это делает цифровые записи почти пол­ностью устойчивыми к постороннему влиянию на сигналы, способствуя получению высококачественного звука, и составляет главное преимуще­ство цифровой технологии по сравнению с аналоговой. Цифровое представление звука ценно также возможностью бесконечного хранения и тиражирования без потери качества. Однако многократное преобразование из аналоговой формы в цифровую и обратно все же не­избежно приводит к частичной потере качества.

Преобразование звука из аналоговой формы в цифровую. Эта операция осуществляется с помощью электронного устройства, находящегося на звуковой карте и называемого аналогово-цифровым преобразователем (АЦП). Оцифровка звука, подаваемого на линейный вход звуковой карты, происходит в три этапа:

• дискретизация аналогового сигнала во времени;

• квантование полученных импульсов по амплитуде;

• двоичная запись квантованного импульса.

При дискретизации сигнал делится на миллионы элементов. Количество элементов определяется частотой дискретизации и измеря­ется в килогерцах (кГц). Например, частота дискретизации 48 кГц означа­ет, что каждая секунда аналогового сигнала разделена на 48 тысяч элементов. Обычно при звукозаписи на компьютере частота дискретизации мо­жет быть установлена в пределах от 5 до 48 кГц. Очевидно, чем больше частота дискретизации, тем точнее будет преобразован исходный анало­говый сигнал и тем выше будет качество оцифрованного звука.

Далее, в процессе квантования каждому элементу дискретизированного сигнала присваивается числовое значение, соответствующее его амплиту­де. Причем число, характеризующее амплитуду, может изме­няться в определенных пределах, например, от 0 до 255. При таком кван­товании возможно 256 уровней сигнала. Этого считается достаточным для правильного восприятия звука ухом человека. Такое квантование на­зывается 8-разрядным, так как 256=2⁸.

Описанный выше способ оцифровки звука называется импульсно-кодовой модуляцией (РСМ - Pulse Code Modulation), так как сигнал пред­ставляется в виде серии импульсов постоянной частоты, амплитуда которых передается цифровым кодом. Это - стандартный, основополагающий метод кодирования звука.

При воспроизведении цифрового звука весь процесс совершается в об­ратном порядке, что в конце концов приводит к получению аналогового звука, который можно услышать через колонки или наушники. Это воз­можно только потому, что процесс цифровой записи придерживается строгих правил, следуя которым можно точно преобразовать данные об­ратно в аналоговый сигнал. Выполняется такое преобразование цифро-аналоговым преобразователем (ПАП), находящимся на звуковой карте.

Размер звукового файла.

После оцифровки звук, как и любая другая информация, сохраняется в файле на диске. Размер звукового файла зависит от качества оцифровки. Например, размер файла, в котором записан монофонический звук дли­тельностью 1 секунда, оцифрованный с частотой дискретизации 44.1 кГц и 8-разрядным квантованием, составляет: 44100 * 1 байт = 44100 байт, так как каждый элемент дискретизации кодируется 8 битами или 1 байтом. Если же монофонический звук той же длительности оцифровать с такой же частотой дискретизации - 44.1 кГц, но с 16-разрядным квантованием, то для кодирования каждого элемента дискретизации потребуется 2 байта и размер файла составит 44100 * 2 байта = 88200 байт.

Для сохранения стереофонического звука длительностью 1 секунда с час­тотой дискретизации 44.1 кГц и 16-разрядным квантованием, т.е. с качест­вом CD, потребуется 44100 * 2 байта * 2 канала = 176400 байт дискового пространства.

Одна минута звука качества CD будет занимать на диске 176400 байт * 60 секунд = 10584000 байт или 10 мегабайт.

Нетрудно посчитать, что концерт популярной музыки и вообще лю­бая звукозапись качества CD длительностью 1 час займет на диске 176400 байт * 3600 секунд = 635040000 байт или около 606 Мбайт.

Это очень неудобно для хранения больших объемов звуковой информа­ции и, особенно, для передачи музыки через Интернет. Поэтому основ­ной проблемой при оцифровке звука является уменьшение размера ау­диофайла. Самый простой способ достичь этого - создать монофоническую запись с частотой дискретизации 22 кГц и 8-битным квантованием. Качество такого звука будет вполне приемлемым. Второй способ решения этой проблемы - аппаратное или программное сжатие звука с использо­ванием алгоритмов компрессии. Именно Интернет дал ощутимый толчок к разработке алгоритмов сжатия аудиоинформации с тем, чтобы ее мож­но было передавать по медленным каналам с максимальным качеством. Большое количество фирм включилось в эту работу. В результате появи­лось множество алгоритмов кодирования, о чем свидетельствует назва­ние этой книги. Алгоритмы кодирования-декодирования часто называют также форматами кодирования. Их следует отличать от файловых форма­тов хранения звука.