close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Кодирование звука

код для вставкиСкачать
Рассматривается в 11 классе при изучении темы "Кодирование информации"
учитель информатики Н.Д. Пехова
—
это процесс сохранения информации о †
параметрах звуковых волн
︠
Способы хранения, или записи, звука разделяются на аналоговые
и цифровые
. При аналоговой записи на носителе размещается «в слепую» непрерывный сигнал, соответствующий амплитуде и частоте звуковой волны. Так, на грампластинке пропечатывается непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука, а на магнитной ленте параметры звука сохраняются в виде остаточной намагниченности рабочей поверхности, степень намагниченности непрерывно изменяется, повторяя параметры звука.
В компьютерах применяется исключительно цифровая форма записи звука
. При цифровой записи звук необходимо подвергнуть временной дискретизации и квантованию
: параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определенные промежутки времени (
временная дискретизация
) результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (
квантование
).
В компьютер приходит не сам звук, а электрический сигнал, снимаемый с какого
-
либо устройства: например, микрофон преобразует звуковое давление в электрические колебания, которые в дальнейшем и обрабатываются. Но к компьютеру можно подключить и магнитофон, и радио, и эхолот —
словом, любое устройство, вырабатывающее электрические сигналы.
• Исходный сигнал Сохраняемые значения Теряемая информация: об истинном изменении во времени
•
об истинных значениях
амплитуды
Цифровая запись вносит двойное искажение в сохраняемые параметры сигнала: во
-
первых, при дискретизации теряется информация об истинном изменении звука между измерениями, а во
-
вторых, при квантовании сохраняются не точные параметры, а только близкие к ним дискретные значения.
В компьютерах используются импульсно
-
кодовое и частотное представления звуковой информации, для обозначения которых чаще всего используют названия технических способов воспроизведения звука: импульсно
-
кодовая модуляция и частотная модуляция.
Импульсно
-
кодовая модуляция (англ. Pulse
Code
Modulation
, PCM) заключается в том, что звуковая информация хранится в виде значений амплитуды, взятых в определенные моменты времени (т.е. измерения проводятся "импульсами"):
При записи звука в компьютер амплитуда измеряется через равные интервалы времени, с некоторой достаточно большой частотой.
При воспроизведении звука компьютер использует сохраненные значения для того, чтобы восстановить непрерывную форму выходного сигнала.
Исходный сигнал Хранимая информация Воспроизводимый
сигнал Процесс получения цифровой формы звука называют оцифровкой. Устройство, выполняющее оцифровку звука, называется аналого
-
цифровым преобразователем
(
АЦП
, от англ. Analog
-
to
-
Digit
Converter
, ADC). Устройство, выполняющее обратное преобразование, из цифровой формы в аналоговую, называется цифро
-
аналоговый преобразователь (
ЦАП
, от англ. Digit
-
to
-
Analog
Converter
, DAC). В современных ПК основная обработка звука выполняется звуковыми картами
. Помимо АЦП и ЦАП, звуковые карты содержат сигнальный процессор
(англ. Digital
Signal
Processor
, DSP) —
специализированный микрокомпьютер для обработки оцифрованного звука, выполняющий значительную часть рутинных расчетов при обработке звуков (смешение звуков, наложение спецэффектов, расчет формы выходного сигнала и т.п., центральный процессор не тратит время на выполнение этих работ).
Если сравнить способы представления графической и звуковой информации, то импульсное кодирование звука соответствует растровому представлению изображений:
структура звука
(в графике —
изображения) не анализируется;
время
(в графике —
пространство) разбивается на небольшие области; в пределах этих областей параметры звука (изображения) считаются постоянными.
При рассмотрении представления графической информации упоминается, что растровое представление изображения не требует хранения координат отдельных пикселей. Аналогично, при сохранении импульсного представления звука достаточно единожды сохранить параметры оцифровки (глубину кодирования, частоту дискретизации и длительность звукового фрагмента), а затем сохранять только номера поддиапазонов
единым потоком.
Записанные звуковые файлы можно редактировать, т.е. вырезать, копировать и вставлять фрагменты из других файлов. Кроме того, можно увеличивать или уменьшать громкость, применять различные звуковые эффекты (эхо, уменьшение или увеличение скорости воспроизведения, воспроизведение в обратном направлении и др.), а также накладывать файлы друг на друга (микшировать).
При воспроизведении звука на компьютере цифровое представление сигнала преобразуют обратно в аналоговую непрерывную форму. Как и упоминалось, расчет параметров выходного сигнала выполняет сигнальный процессор, а генерацию аналогового электрического сигнала выполняет ЦАП (цифро
-
аналоговый преобразователь).
В современной цифровой звукотехнике (например, в компьютерных звуковых картах) используют несколь
ко методов реконструкции формы аналогового сигнала. Эти методы сильно отличаются друг от друга, даже идеями, взятыми за их основу.
Общим в методах оцифровки сигнала является то, что цифровой сигнал сперва подвергается передискретизации —
увеличению частоты дискретизации и глубины квантования в несколько раз (поток звуковых данных с Audio CD, имеет частоту дискретизации 44,1 кГц и глубину квантования 16 бит, в звуковой карте преобразуется в поток с частотой дискретизации 192 кГц и глубиной квантования 2 бита).
После передискретизации
цифровой сигнал проходит обработку (специфическую для каждого метода), а затем с помощью ЦАП сразу преобразуется в ступенчатый аналоговый сигнал, который представляет собой сумму ожидаемого выходного сигнала и "паразитного" сигнала дискретизации. "Паразитный" сигнал имеет малую амплитуду и очень высокую частоту ("далекий" ультразвук). Выходной сигнал ЦАП пропускается через пропускающий фильтр низких частот (ФНЧ), который подавляет высокочастотные составляющие сигнала. Такой технический прием позволяет добиться качественной оцифровки сигнала при простой реализации электронных схем.
Современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний. Для определения количества бит, необходимых для кодирования, решим показательное уравнение: Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают 16
-
битное кодирование звука. При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16
-
битный код. Количество выборок в секунду может быть в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 Кгц
. При частоте 8 Кгц
качество дискретизированного
звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 Кгц
-
качеству звучания аудио
-
CD
. Следует также учитывать, что возможны как моно
-
, так и стерео
-
режимы
. Можно оценить информационный объем моном аудио файла длительно
стью звучания 1 секунду при среднем качестве звука (16 бит, 24 Кгц
). Для этого количество бит на одну выборку необходимо умножить на количество выборок в 1 секунду: 16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт или 47 Кбайт
От каких параметров зависит качество двоичного кодирования звука? Какое количество уровней звукового сигнала кодируется в уста
ревших 8
-
битных звуковых картах? Рассчитайте объем моно аудио файла длительностью 10 секунд при 16
-
битном кодировании и частоте дискретизации 44 Кгц
. С помощью программы Звукозапись
запишите при 16
-
битном кодировании и частоте дискретизации 44 Кгц
моно аудио файл длительностью 10 секунд. Посмотрите его объем. 
Автор
natalij28
Документ
Категория
Методические пособия
Просмотров
763
Размер файла
2 246 Кб
Теги
звуки, кодирование
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа