Компьютеры -> Аудио -> Цифровой звук

Цифровой звук

Обо всем по-порядку

В последнее время возможности мультимедийного оборудования значительно выросли, однако этой области почему-то не уделяется достаточно внимания. Рядовой пользователь страдает от нехватки информации и вынужден учиться лишь на собственном опыте и ошибках. Этой статьей мы постараемся устранить это досадное недоразумение. Данная статья ориентирована на рядового пользователя и ставит своей целью помочь ему разобраться в теоретических и практических основах цифрового звука, выявить возможности и основные приемы его использования.

Что именно мы знаем о звуковых возможностях компьютера, кроме того, что в нашем домашнем компьютере установлена звуковая плата и две колонки? К сожалению, вероятно из-за недостаточности литературы или по каким-либо другим причинам, но пользователь, чаще всего, не знаком ни с чем, кроме встроенного в Windows микшера аудио входов/выходов и Recorder'а. Единственное использование звуковой карты, которое находит простой пользователь - это вывод звука в играх, да прослушивание коллекции аудио. А, ведь, даже самая простая на сегодняшний день звуковая плата, установленная почти в каждом компьютере, умеет намного больше - она открывает широчайшие возможности для всех, кто любит и интересуется музыкой и звуком, а для тех, кто хочет создавать свою музыку, звуковая карта может стать всемогущим инструментом. Для того чтобы узнать что же умеет компьютер в области звука нужно только поинтересоваться и перед вами откроются возможности, о которых вы, может быть, даже не догадывались. И все это не так сложно, как может показаться на первый взгляд.

Некоторые факты и понятия, без которых тяжело обойтись:

В соответствии с теорией математика Фурье, звуковую волну можно представить в виде спектра входящих в нее частот.

Частотные составляющие спектра - это синусоидальные колебания (так называемые чистые тона), каждое из которых имеет свою собственную амплитуду и частоту. Таким образом, любое, даже самое сложное по форме колебание (например, человеческий голос), можно представить суммой простейших синусоидальных колебании определенных частот и амплитуд. И наоборот, сгенерировав различные колебания и наложив их друг на друга (смикшировав, смешав), можно получить различные звуки.

Справка: человеческий слуховой аппарат/мозг способен различать частотные составляющие звука в пределах от 20 Гц до ~20 КГц (верхняя граница может колебаться в зависимости от возраста и других факторов). Кроме того, нижняя граница сильно колеблется в зависимости от интенсивности звучания.

Оцифровка звука и его хранение на цифровом носителе

Цифровой звук - это способ представления электрического сигнала посредством дискретных численных значений его амплитуды. Допустим, мы  имеем аналоговую звуковую дорожку хорошего качества (говоря <хорошее качество> будем предполагать нешумную запись, содержащую спектральные составляющие из всего слышимого диапазона частот - приблизительно от 20 Гц до 20 КГц) и хотим <ввести> ее в компьютер (то есть оцифровать) без потери качества. Как этого добиться и как происходит оцифровка? Звуковая волна - это некая сложная функция, зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Казалось бы, что раз это функция, то можно записать ее в компьютер <как есть>, то есть описать математический вид функции и сохранить в памяти компьютера. Однако практически это невозможно, поскольку звуковые колебания нельзя представить аналитической формулой (как y=x², например). Остается один путь - описать функцию путем хранения ее дискретных значений в определенных точках. Иными словами, в каждой точке времени можно измерить значение амплитуды сигнала и записать в виде чисел. Однако и в этом методе есть свои недостатки, так как значения амплитуды сигнала мы не можем записывать с бесконечной точностью, и вынуждены их округлять. Говоря иначе, мы будем приближать эту функцию по двум координатным осям - амплитудной и временной (приближать в точках - значит, говоря простым языком, брать значения функции в точках и записывать их с конечной точностью). Таким образом, оцифровка сигнала включает в себя два процесса - процесс дискретизации (осуществление выборки) и процесс квантования. Процесс дискретизации - это процесс получения значений величин преобразуемого сигнала в определенные промежутки времени.

Квантование - процесс замены реальных значений сигнала приближенными с определенной точностью (рис. 3).

Таким образом, оцифровка - это фиксация амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и регистрация полученных значений амплитуды в виде округленных цифровых значений (так как значения амплитуды являются величиной непрерывной, нет возможности конечным числом записать точное значение амплитуды сигнала, именно поэтому прибегают к округлению). Записанные значения амплитуды сигнала называются отсчетами. Очевидно, что чем чаще мы будем делать замеры амплитуды (чем выше частота дискретизации) и чем меньше мы будем округлять полученные значения (чем больше уровней квантования), тем более точное представление сигнала в цифровой форме мы получим. Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды можно сохранить.

Теперь о практических проблемах. Во-первых, надо иметь в виду, что память компьютера не бесконечна, так что каждый раз при оцифровке необходимо находить какой-то компромисс между качеством (напрямую зависящим от использованных при оцифровке параметров) и занимаемым оцифрованным сигналом объемом.

Во-вторых, согласно теореме Котельникова частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот оцифрованного сигнала, а именно, максимальная частота спектральных составляющих равна половине частоты дискретизации сигнала. Попросту говоря, чтобы получить полную информацию о звуке в частотной полосе до 22050 Гц, необходима дискретизация с частотой не менее 44.1 КГц.

Существуют и другие проблемы и нюансы, связанные с оцифровкой звука. Не сильно углубляясь в подробности отметим, что в <цифровом звуке> из-за дискретности информации об амплитуде оригинального сигнала появляются различные шумы и искажения (под фразой <в цифровом звуке есть такие-то частоты и шумы> подразумевается, что когда этот звук будет преобразован обратно из цифрового вида в аналоговый, то в его звучании будут присутствовать упомянутые частоты и шумы). Так, например, джиттер (jitter) - шум, появляющийся в результате того, что осуществление выборки сигнала при дискретизации происходит не через абсолютно равные промежутки времени, а с какими-то отклонениями. То есть, если, скажем, дискретизация проводится с частотой 44.1 КГц, то отсчеты берутся не точно каждые 1/44100 секунды, а то немного раньше, то немного позднее. А так как входной сигнал постоянно меняется, то такая ошибка приводит к <захвату> не совсем верного уровня сигнала. В результате во время проигрывания оцифрованного сигнала может ощущаться некоторое дрожание и искажения. Появление джиттера является результатом не абсолютной стабильности аналогово-цифровых преобразователей. Для борьбы с этим явлением применяют высокостабильные тактовые генераторы. Еще одной неприятностью является шум дробления. Как мы говорили, при квантовании амплитуды сигнала происходит ее округление до ближайшего уровня. Такая погрешность вызывает ощущение <грязного> звучания.

Небольшая справка: стандартные параметры записи аудио компакт-дисков следующие: частота дискретизации - 44.1 КГц, уровень квантования - 16 бит. Такие параметры соответствуют 65536 (2¹⁶) уровням квантования амплитуды при взятии ее значений 44100 раз в секунду.

На практике, процесс оцифровки (дискретизация и квантование сигнала) остается невидимым для пользователя - всю черновую работу делают разнообразные программы, которые дают соответствующие команды драйверу (управляющая подпрограмма операционной системы) звуковой карты. Любая программа (будь то встроенный в Windows Recorder или мощный звуковой редактор), способная осуществлять запись аналогового сигнала в компьютер, так или иначе оцифровывает сигнал с определенными параметрами, которые могут оказаться важными в последующей работе с записанным звуком, и именно по этой причине важно понять как происходит процесс оцифровки и какие факторы влияют на ее результаты.

Преобразование звука. Способы хранения. Преимущества и недостатки.