От чего зависит качество компьютерного звука разрядность дискретизации частота дискретизации

Обновлено: 04.07.2024

Одной из основных задач информатики является представление данных в виде удобном для хранения и передачи. Эти данные могут быть разного типа – звуковые, текстовые, графические и т.д. В этой статье мы расскажем про кодирование звуковой информации. Из этой статьи Вы узнаете основные принципы и определения. Также после прочтения сможете посчитать объем аудио файла. Читайте!

Основные определения

Для того чтобы разобраться в теме надо знать, что представляет собой звуковая информация (звук).

Звук – это непрерывная аналоговая волна, которая распространяется в окружающей среде. В роли среды может выступать воздух, жидкость, твердое тело, электричество и т.д.

Звук, как непрерывную волну, характеризуют две характеристики – частота и амплитуда.

От амплитуды зависит громкость аудио сигнала . Чем выше амплитуда, тем громкость больше.

Частота же характеризует тональность аудиоинформации . Чем больше частота, тем тональность выше. Человеческий слух улавливает волны от 20 Гц до 20 кГц. 1 Гц равен 1 колебанию аудио сигнала в секунду.

Это интересно Что такое интерфейс простыми словами 💻

Представление и кодирование звуковой информации в компьютере

Для представления и кодирования звука используются специальное оборудование и программы. Рассмотрим весь процесс более подробно.

Аудиоинформация, поступая из окружающей среды (например, по воздуху), преобразуется в электрический сигнал. Для этого используется такое устройство, как микрофон.
После этого звук поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), где подвергается оцифровке.
На последнем этапе информация (уже в двоичном виде) кодируется при помощи специальной программы – аудиокодека. На выходе получается файл в специальном формате (например, mp3), который можно хранить, воспроизводить и передавать.

Наибольший интерес представляет процесс оцифровки, также называемым аналого-цифровым преобразованием. В результате него аналоговый сигнал заменяется на цифровой.

Основной принцип аналогово-цифрового преобразования заключается в том, что через равные промежутки времени измеряется амплитуда волны. Также этот процесс называется дискретизация.

Дискретизация – это процесс в результате, которого непрерывная функция представляется в виде дискретной последовательности её значений. Схематично дискретизацию можно представить так:

Дискретизация характеризуется двумя такими величинами, как:

Частота шага по времени;
Шаг квантования.

Первая величина отображает, как часто берутся дискреты и измеряется в Герцах (количество измерений за одну секунду). Частота шага по времени находится по теореме Котельникова.

Шаг квантования характеризуется количеством уровней , до которых округляются величины амплитуды волны.

Количество уровней (ступенек) до которых округляются значения сигнала, зависит от аналого-цифрового преобразователя. На данный момент используются 16, 32 и 64 битные устройства.

Количество бит, затрачиваемое для номеров уровней, называется глубиной кодирования звуковой информации.

Глубина кодирования связано с количеством уровней по формуле:

Где i разрядность АЦП в битах.

Чем чаще берутся дискреты за единицу времени и больше глубина кодирования, тем выше качество звуковых данных на выходе и дороже АЦП.

Расчет объема аудио файла

\[V = 60*1*8000*8=3840000 \ бит \]

Форматы аудио

Форматов для хранения аудио много, однако, все они делятся на две большие группы в зависимости от того, какой из методов сжатия используется – LOSELESS или LOSSY.

LOSELESS – метод сжатия без потерь. Качество звуковой информации остается без изменений, однако за него приходится платить большим объемом компьютерной памяти. Используется для хранения музыки и других данных, где важно качество. Форматы, которые основаны на данном методе сжатия: FLAC, APE, TAC, ALAC и другие. На данный момент зарабатывают все большую популярность в связи с увеличением дискового пространства.
LOSSY – сжатие с потерями. При таком методе файл сохраняются с искажениями относительно оригинала. В основном эти искажения не воспринимаются человеческим слухом, а также не замечаются при плохом аудио оборудовании. LOSSY позволяет существенно сэкономить дисковое пространство. На данный момент этот метод сжатия является доминирующим.

Форматы кодирования использующие алгоритмы LOSSY:

MP3 (MPEG-1,2,2.5) – самый популярный аудио формат. Проигрывается на всех аудио и видео системах, по умолчанию поддерживается всеми операционными системами. Искажения заметны на высокоточной дорогостоящей аппаратуре.
AAC – формат, который разрабатывался и позиционировался, как приемник mp3. Не получил широкого распространения. Преимущества перед mp3: большая гибкость кодирования, возможность использовать до 48 звуковых каналов.
HE-AAC (High-Efficiency Advanced Audio Coding) – используется в цифровом радио и телевиденье.

Заключение

Звуковая информация. Звук представляет собой распространяющуюся в воздухе, воде или другой среде волну с непрерывно меняющейся интенсивностью и частотой.

Человек воспринимает звуковые волны (колебания воздуха) с помощью слуха в форме звука различных громкости и тона. Чем больше интенсивность звуковой волны, тем громче звук, чем больше частота волны, тем выше тон звука (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Зависимость громкости и высоты тона звука от интенсивности и частоты звуковой волны

Человеческое ухо воспринимает звук с частотой от 20 колебаний в секунду (низкий звук) до 20 000 колебаний в секунду (высокий звук).

Человек может воспринимать звук в огромном диапазоне интенсивностей, в котором максимальная интенсивность больше минимальной в 10 14 раз (в сто тысяч миллиардов раз). Для измерения громкости звука применяется специальная единица "децибел" (дбл) (табл. 5.1). Уменьшение или увеличение громкости звука на 10 дбл соответствует уменьшению или увеличению интенсивности звука в 10 раз.

Таблица 5.1. Громкость звука

Временная дискретизация звука. Для того чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму с помощью временной дискретизации. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, для каждого такого участка устанавливается определенная величина интенсивности звука.

Таким образом, непрерывная зависимость громкости звука от времени A(t) заменяется на дискретную последовательность уровней громкости. На графике это выглядит как замена гладкой кривой на последовательность "ступенек" (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Временная дискретизация звука

Частота дискретизации. Для записи аналогового звука и г го преобразования в цифровую форму используется микрофон, подключенный к звуковой плате. Качество полученного цифрового звука зависит от количества измерений уровня громкости звука в единицу времени, т. е. частоты дискретизации. Чем большее количество измерений производится за I секунду (чем больше частота дискретизации), тем точнее "лесенка" цифрового звукового сигнала повторяет кривую диалогового сигнала.

Частота дискретизации звука - это количество измерений громкости звука за одну секунду.

Частота дискретизации звука может лежать в диапазоне от 8000 до 48 000 измерений громкости звука за одну секунду.

Глубина кодирования звука. Каждой "ступеньке" присваивается определенное значение уровня громкости звука. Уровни громкости звука можно рассматривать как набор возможных состояний N, для кодирования которых необходимо определенное количество информации I, которое называется глубиной кодирования звука.

Глубина кодирования звука - это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.

Если известна глубина кодирования, то количество уровней громкости цифрового звука можно рассчитать по формуле N = 2 I . Пусть глубина кодирования звука составляет 16 битов, тогда количество уровней громкости звука равно:

N = 2 I = 2 16 = 65 536.

В процессе кодирования каждому уровню громкости звука присваивается свой 16-битовый двоичный код, наименьшему уровню звука будет соответствовать код 0000000000000000, а наибольшему - 1111111111111111.

Качество оцифрованного звука. Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству телефонной связи, получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим "моно"). Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48 000 раз в секунду, глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим "стерео").

Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем больше информационный объем звукового файла. Можно оценить информационный объем цифрового стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем качестве звука (16 битов, 24 000 измерений в секунду). Для этого глубину кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду й умножить на 2 (стереозвук):

16 бит × 24 000 × 2 = 768 000 бит = 96 000 байт = 93,75 Кбайт.

Звуковые редакторы. Звуковые редакторы позволяют не только записывать и воспроизводить звук, но и редактировать его. Оцифрованный звук представляется в звуковых редакторах в наглядной форме, поэтому операции копирования, перемещения и удаления частей звуковой дорожки можно легко осуществлять с помощью мыши. Кроме того, можно накладывать звуковые дорожки друг на друга (микшировать звуки) и применять различные акустические эффекты (эхо, воспроизведение в обратном направлении и др.).

Звуковые редакторы позволяют изменять качество цифрового звука и объем звукового файла путем изменения частоты дискретизации и глубины кодирования. Оцифрованный звук можно сохранять без сжатия в звуковых файлах в универсальном формате WAV или в формате со сжатием МР3.

При сохранении звука в форматах со сжатием отбрасываются "избыточные" для человеческого восприятия звуковые частоты с малой интенсивностью, совпадающие по времени со звуковыми частотами с большой интенсивностью. Применение такого формата позволяет сжимать звуковые файлы в десятки раз, однако приводит к необратимой потере информации (файлы не могут быть восстановлены в первоначальном виде).

Контрольные вопросы

1. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?

Задания для самостоятельного выполнения

1. Задание с выборочным ответом. Звуковая плата производит двоичное кодирование аналогового звукового сигнала. Какое количество информации необходимо для кодирования каждого из 65 536 возможных уровней интенсивности сигнала?

1) 16 битов; 2) 256 битов; 3) 1 бит; 4) 8 битов.

2. Задание с развернутым ответом. Оценить информационный объем цифровых звуковых файлов длительностью 10 секунд при глубине кодирования и частоте дискретизации звукового сигнала, обеспечивающих минимальное и максимальное качество звука:

а) моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

3. Задание с развернутым ответом. Определить длительность звукового файла, который уместится на дискете 3,5" (учтите, что для хранения данных на такой дискете выделяется 2847 секторов объемом 512 байтов каждый):

а) при низком качестве звука: моно, 8 битов, 8000 измерений в секунду;

б) при высоком качестве звука: стерео, 16 битов, 48 000 измерений в секунду.

Основные определения

Для того чтобы разобраться в теме надо знать, что представляет собой звуковая информация (звук).

Звук, как непрерывную волну, характеризуют две характеристики – частота и амплитуда.

От амплитуды зависит громкость аудио сигнала . Чем выше амплитуда, тем громкость больше.

Это интересно Что такое интерфейс простыми словами 💻

Представление и кодирование звуковой информации в компьютере

Аудиоинформация, поступая из окружающей среды (например, по воздуху), преобразуется в электрический сигнал. Для этого используется такое устройство, как микрофон.
После этого звук поступает на АЦП (аналого-цифровой преобразователь), где подвергается оцифровке.
На последнем этапе информация (уже в двоичном виде) кодируется при помощи специальной программы – аудиокодека. На выходе получается файл в специальном формате (например, mp3), который можно хранить, воспроизводить и передавать.

Дискретизация характеризуется двумя такими величинами, как:

Частота шага по времени;
Шаг квантования.

Шаг квантования характеризуется количеством уровней , до которых округляются величины амплитуды волны.

Количество бит, затрачиваемое для номеров уровней, называется глубиной кодирования звуковой информации.

Глубина кодирования связано с количеством уровней по формуле:

Где i разрядность АЦП в битах.

Расчет объема аудио файла

\[V = 60*1*8000*8=3840000 \ бит \]

Форматы аудио

LOSELESS – метод сжатия без потерь. Качество звуковой информации остается без изменений, однако за него приходится платить большим объемом компьютерной памяти. Используется для хранения музыки и других данных, где важно качество. Форматы, которые основаны на данном методе сжатия: FLAC, APE, TAC, ALAC и другие. На данный момент зарабатывают все большую популярность в связи с увеличением дискового пространства.
LOSSY – сжатие с потерями. При таком методе файл сохраняются с искажениями относительно оригинала. В основном эти искажения не воспринимаются человеческим слухом, а также не замечаются при плохом аудио оборудовании. LOSSY позволяет существенно сэкономить дисковое пространство. На данный момент этот метод сжатия является доминирующим.

Форматы кодирования использующие алгоритмы LOSSY:

MP3 (MPEG-1,2,2.5) – самый популярный аудио формат. Проигрывается на всех аудио и видео системах, по умолчанию поддерживается всеми операционными системами. Искажения заметны на высокоточной дорогостоящей аппаратуре.
AAC – формат, который разрабатывался и позиционировался, как приемник mp3. Не получил широкого распространения. Преимущества перед mp3: большая гибкость кодирования, возможность использовать до 48 звуковых каналов.
HE-AAC (High-Efficiency Advanced Audio Coding) – используется в цифровом радио и телевиденье.

Заключение

Качественное воспроизведение музыки Hi-Fi и High-End-устройствами способно покорить как искушенных аудиофилов, так и обычных слушателей. Но прежде чем покупать технику, нужно разобраться, какой звук нравится конкретно вам. Универсального звучания, подходящего для любого жанра и ценителя музыки, не существует. Однако есть общие критерии, которые определяют, от чего зависит качество звука, и позволяют вывести его на нужный уровень. Собрать стереосистему в домашних условиях несложно, но чтобы результат точно оправдал ожидания, можно придерживаться упрощенных рекомендаций, обычно сопровождаемых термином «акустика для чайников». Они помогут избежать лишних затрат на дорогостоящую аппаратуру, правильно подобрать компоненты системы и убедиться в их совместимости.

От чего зависит качество звука

В подавляющем большинстве современных устройств для воспроизведения аудиоконтента используются цифровые технологии. Список параметров, от которых зависит качество цифрового звука, включает множество пунктов. Ниже мы отметили наиболее важные из них.

Аудиоформат. Это своего рода форма, в которой представлен звуковой файл.
Проигрыватель, который вы планируете использовать для прослушивания музыки.
ЦАП – устройство для преобразования цифрового сигнала в аналоговый.
Усилитель звукового сигнала.
Акустическая система, или колонки.
Кабели, используемые для соединения элементов системы между собой.
Качество электропитания.

Немного теории

Чтобы строить домашнюю аудиосистему более осознанно, нужно иметь базовое представление о природе аналогового и цифрового звука. Наиболее наглядное представление о разнице между этими сигналами дает их графическое изображение. График аналоговой звуковой волны представляет собой плавную линию, похожую на синусоиду. Цифровой сигнал выглядит на изображении как ступенчатая линия. Для оцифровки аналогового (или непрерывного) звука используется АЦП – аналого-цифровой преобразователь. Процесс преобразования состоит из трех этапов. На первом исходный непрерывный сигнал становится дискретным, когда плавная линия на графике делится на точки, между которыми есть некоторый интервал. Чем меньше этот интервал, тем больше частота дискретизации, а значит – точнее повторяется исходный сигнал. На втором этапе происходит квантование полученного дискретного сигнала (присвоение каждому отрезку цифрового значения), на третьем – оцифровка (кодирование в виде последовательности 0 и 1).

Формат

Все аудиоформаты делятся на три типа.

Без сжатия. Сюда входят WAV, AIFF, CDDA и другие. Аудиотреки, записанные в этих форматах, отличаются безупречным качеством и звучанием, максимально приближенным к оригинальному. Их недостаток – большой вес: минута записи может занимать до 10 Мб.

Со сжатием без потерь (lossless). В этой категории находятся форматы FLAC, ALAC, APE. Звук в этом случае записан с сохранением качества и занимает меньше места, чем в формате без сжатия. Такие файлы гораздо удобнее хранить, например, на персональном компьютере.

Сжатие с потерями (lossy). Это форматы MP3, AAC, Ogg Vorbis, когда для уменьшения объема данных вырезают часть информации, например, о частотах, которые лежат за пределами человеческого восприятия (средний человек слышит звуки в диапазоне 20-22 000 Гц).

Проигрыватель

Сегодня рынок предлагает широкий выбор проигрывателей цифровых аудиотреков. Важно четко представлять, как вы будете слушать музыку и собирать фонотеку: на плеере, компьютере, с помощью наушников или каким-либо другим способом. Т. е. что для вас наиболее удобно и приемлемо по цене. По мнению большинства экспертов, любой, даже очень качественный цифровой плеер, уступает по насыщенности передаваемого звука виниловым проигрывателям и даже катушечным магнитофонам. И тем не менее среди цифровой техники вполне можно подобрать устройство с более чем приличным звучанием. Это могут быть проигрыватель CD-дисков (такой, например, как Harman Kardon HD 990/230), домашний компьютер или портативный аудиоплеер. Использование компьютера или ноутбука в домашней стереосистеме привлекает компактностью и экономичностью. Внешний же модуль интересен тем, что исключает влияние каких-либо компьютерных помех на качество звука.

Преобразователь сигнала

Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый потребуется ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь. Устройство может быть встроенным в проигрыватель или представлять собой отдельный модуль. Встроенный, как правило, проигрывает по техническим характеристикам модульному. Внешний ЦАП предусматривает отдельный блок питания, интегрированный – питается от общего с проигрывателем источника. Как следствие – помехи, возникающие в проигрывающем устройстве, могут влиять на вмонтированный преобразователь. Отдельный модуль от этих рисков избавлен. Наиболее целесообразным бывает применение внешнего ЦАП при прослушивании контента, записанного в lossless-форматах. Такие записи распространяются преимущественно через интернет, и, если компьютер оснащен звуковой картой низкого класса, звучание будет посредственным. Чтобы добиться хорошего звука, к S/PDIF-выходу компьютера подключают модульный ЦАП, частота дискретизации и разрядность которого не меньше, чем у прослушиваемого трека, и равны соответственно минимум 96 кГц и 24 бита.

Усилитель

Если вы определились с форматом и типом проигрывателя, приобрели хороший ЦАП, самое время переходить к выбору усилителя – устройства, главной функцией которого является повышение уровня поступающих на него аналоговых звуковых сигналов. Усилители бывают ламповые и транзисторные. Первые дают более мягкий, переливчатый звук, вторые – более резкий и детализированный. Какой вариант подойдет именно вам, лучше определить, оценив звучание каждого из них. Как среди ламповых, так и среди транзисторных усилителей есть модели с обратной связью и без нее. Функция обратной связи сводится к исправлению искажений, вносимых в звуковой сигнал самим усилителем. При этом устранение таких искажений ведет к потере части динамического диапазона звука.

Колонки

Практика показывает, что правильно подобранные акустические системы даже в комплекте со среднего уровня усилителем могут обеспечить вполне убедительный звук. Нередко колонки становятся самым дорогостоящим компонентом стереосистемы, но эти расходы чаще всего оправданы. На рынке сегодня предлагаются акустические системы в корпусе из пластика, МДФ, ДСП, натурального дерева, оргстекла, металла и даже мрамора и гранита. По габаритам колонки делятся на полочные и напольные, конструктивно – на широкополосные и многополосные. Качество звучания домашней стереосистемы во многом зависит от мощности колонок. Этот показатель определяет, как долго акустическая система сможет звучать на максимальной громкости без искажений и хрипов. Чтобы не навредить оборудованию, нужно убедиться в том, что мощность динамиков не превышает аналогичный параметр усилителя.

Кабели

Выстраивая аудиосистему, пользователь неизбежно сталкивается с проблемой выбора кабелей для соединения комплектующих, а также для подключения внешних устройств, например, микрофона. На качество получаемого звука влияет прежде всего длина используемых проводов. Рекомендуется придерживаться правила: чем короче кабель, тем лучше звучание. Все провода системы принято делить на межблочные и акустические. Первые необходимы для соединения отдельных блоков между собой, например, усилителя и ЦАП. Вторые – для подключения колонок. В зависимости от материала изготовления кабели делятся на типы:

OFC – выполненные методом протяжки из бескислородной меди;
OCC – изготовленные с помощью расплава из монокристаллической меди;
композитные, проводник которых состоит из нескольких материалов.

Питание

Разбираясь в том, от каких характеристик зависит качество звучания стереосистемы, нельзя обойти стороной тему электропитания. Влияние сетевого шнура на качество цифрового звука часто недооценивается. В том, что питающий кабель действительно играет определенную роль в формировании звука, легко убедиться опытным путем. Для этого нужно попробовать разные типы проводов и оценить разницу звучания при подключении каждого из них. Помимо этого, каждый элемент системы лучше подключать отдельным кабелем и, если есть возможность, напрямую к распределительному щитку на входе в квартиру. Таким образом минимизируется влияние сетевых помех на качество звукового сигнала. Все используемые розетки должны обеспечивать надежную фиксацию штепселя. Оптимальным будет включение в систему сетевого фильтра, который стабилизирует параметры питания, а кроме того защитит аппаратуру от пиковых значений напряжения.

Читайте также: