Стаття "Передумови і теоретична основа поняття «цифровий звук»"

Передумови і теоретична основа поняття «цифровий звук».

Малахова А.В.

Малахова Ангеліна Валеріївна/Anhelina Malakhova- студентка IV курсу, Мелітопольського Державного Педагогічного Університету імені Б. Хмельницького

Передумови і теоретична основа поняття «цифровий звук».

          Насамперед, цифровий звук - це результат перетворення аналогового сигналу звукового діапазону в цифровий аудіоформат.

          Цифровий звук - це спосіб представлення електричного сигналу за допомогою дискретних чисельних значень його амплітуди. Припустимо, ми маємо аналогову звукову доріжку гарної якості (кажучи «гарна якість» будемо припускати негаласливим запис, що містить спектральні складові з усього чутного діапазону частот - приблизно від 20 Гц до 20 КГц) і хочемо «ввести» її в комп'ютер (тобто оцифрувати) без втрати якості. Як цього досягти і як відбувається оцифровка? Звукова хвиля - це якась складна функція, залежність амплітуди звукової хвилі від часу. Здавалося б, що раз це функція, то можна записати її в комп'ютер «як є», тобто описати математичний вид функції і зберегти в пам'яті комп'ютера. Однак практично це неможливо, оскільки звукові коливання не можна уявити аналітичної формулою (як y = COSx, наприклад). Залишається один шлях - описати функцію шляхом зберігання її дискретних значень в певних точках. Іншими словами, в кожній точці часу можна виміряти значення амплітуди сигналу і записати у вигляді чисел. Однак і в цьому методі є свої недоліки, так як значення амплітуди сигналу ми не можемо записувати з нескінченної точністю, і змушені їх округляти. Інакше кажучи, ми будемо наближати цю функцію за двома координатними осями - амплітудної і тимчасової (наближати в точках - значить, кажучи простою мовою, брати значення функції в точках і записувати їх з кінцевою точністю). Таким чином, оцифровка сигналу включає в себе два процеси - процес дискретизації (здійснення вибірки) і процес квантування. Процес дискретизації - це процес отримання значень величин перетворюється сигналу в певні проміжки часу (мал.1).

          Квантування - процес заміни реальних значень сигналу наближеними з певною точністю (мал. 2). Таким чином, оцифровка - це фіксація амплітуди сигналу через певні проміжки часу і реєстрація отриманих значень амплітуди у вигляді округлених цифрових значень (так як значення амплітуди є величиною безперервної, немає можливості кінцевим числом записати точне значення амплітуди сигналу, саме тому вдаються до округлення). Записані значення амплітуди сигналу називаються відліками. Очевидно, що чим частіше ми будемо робити виміри амплітуди (чим більша їх кількість) і чим менше ми будемо округляти отримані значення (чим більше рівнів квантування), тим більш точне уявлення сигналу в цифровій формі ми отримаємо.

          Оцифрований сигнал у вигляді набору послідовних значень амплітуди можна зберегти.

          Тепер про практичні проблеми. По-перше, треба мати на увазі, що пам'ять комп'ютера не нескінченна, так що кожен раз при оцифрування необхідно знаходити якийсь компроміс між якістю (безпосередньо залежать від використаних при оцифруванні параметрів) і займаним оцифрованих сигналом обсягом.

          По-друге, частота дискретизації встановлює верхню межу частот оцифрованого сигналу, а саме, максимальна частота спектральних складових дорівнює половині частоти дискретизації сигналу. Попросту кажучи, щоб отримати повну інформацію про звук в частотній смузі до 22050 Гц, необхідна дискретизація з частотою не менш 44.1 КГц.

          Існують і інші проблеми і нюанси, пов'язані з оцифруванням звуку. Не сильно заглиблюючись в подробиці відзначимо, що в «цифровому звуці» через дискретності інформації про амплітуду оригінального сигналу з'являються різні шуми і спотворення (під фразою «в цифровому звуці є такі-то частоти і шуми» мається на увазі, що коли цей звук буде перетворений назад з цифрового виду в аналоговий, то в його звучанні будуть присутні згадані частоти і шуми). Так, наприклад, джиттер (jitter) - шум, що виникає в результаті того, що здійснення вибірки сигналу при дискретизації відбувається не через абсолютно рівні проміжки часу, а з якимись відхиленнями. Тобто, якщо, скажімо, дискретизація проводиться з частотою 44.1 КГц, то відліки беруться не точно кожні 1/44100 секунди, а то трохи раніше, то трохи пізніше. А так як вхідний сигнал постійно змінюється, то така помилка призводить до «захоплення» не зовсім вірного рівня сигналу. В результаті під час програвання оцифрованого сигналу може відчуватися деякі тремтіння і спотворення. Поява джиттера є результатом не абсолютною стабільності аналогово-цифрових перетворювачів. Для боротьби з цим явищем застосовують високостабільні тактові генератори. Ще однією неприємністю є шум дроблення. Як ми говорили, при квантуванні амплітуди сигналу відбувається її округлення до найближчого рівня. Така похибка викликає відчуття «брудного» звучання.

          На практиці, процес оцифровки (дискретизація і квантування сигналу) залишається невидимим для користувача - всю чорнову роботу роблять різноманітні програми, які дають відповідні команди драйверу (керуюча підпрограма операційної системи) звукової карти. Будь-яка програма (будь то вбудований в Windows Recorder або потужний звуковий редактор), здатна здійснювати запис аналогового сигналу в комп'ютер, так чи інакше оцифровує сигнал з певними параметрами, які можуть виявитися важливими в подальшій роботі з записаним звуком, і саме з цієї причини важливо зрозуміти як відбувається процес оцифровки і які чинники впливають на її результати.

          Також поговоримо про перетворення звуку з цифрового виду в аналоговий. Для перетворення дискретизованного сигналу в аналоговий вигляд, придатний для обробки аналоговими пристроями (підсилювачами і фільтрами) і подальшого відтворення через акустичні системи, служить цифроаналоговий перетворювач (ЦАП). Процес перетворення являє собою зворотній процес дискретизації: маючи інформацію про величину відліків (амплітуди сигналу) і беручи певну кількість відліків в одиницю часу, шляхом інтерполяції відбувається відновлення вихідного сигналу (мал. 3).

          Ще зовсім недавно відтворення звуку в домашніх комп'ютерах було проблемою, так як комп'ютери не оснащувалися спеціальними ЦАП. Спочатку в якості найпростішого звукового пристрою в комп'ютері використовувався вбудований динамік (PC speaker). Взагалі кажучи, цей динамік досі є майже у всіх PC, але ніхто вже не пам'ятає як його «розгойдати», щоб він заграв. Якщо коротко, то цей динамік приєднаний до порту на материнській платі, у якого є два положення - 1 і 0. Так ось, якщо цей порт швидко-швидко вмикати і вимикати, то з динаміка можна витягти більш-менш правдоподібні звуки. Відтворення різних частот досягається за рахунок того, що дифузор динаміка має кінцевою реакцією і не здатний миттєво перескакувати з місця на місце, таким чином він «плавно розгойдується» внаслідок стрибкоподібного зміни напруги на ньому. І якщо коливати його з різною швидкістю, то можна отримати коливання повітря на різних частотах. Природною альтернативою динаміку став так званий Covox - це найпростіший ЦАП, виконаний на декількох підібраних опорах (або готової мікросхемі), які забезпечують переклад цифрового представлення сигналу в аналоговий - тобто в реальні значення амплітуди. Covox простий у виготовленні і тому він мав успіх у любителів аж до того часу, коли звукова карта стала доступною всім.

          У сучасному комп'ютері звук відтворюється і записується за допомогою звукової карти - підключається, або вбудованої в материнську плату комп'ютера. Завдання звукової карти в комп'ютері - введення і виведення аудіо. Практично це означає, що звукова карта є тим перетворювачем, який переводить аналоговий звук в цифровій і назад. Якщо описувати спрощено, то робота звукової карти може бути пояснена наступним чином. Припустимо, що на вхід звукової карти подано аналоговий сигнал і карта включена (програмно). Спочатку вхідний аналоговий сигнал потрапляє в аналоговий мікшер, який займається змішанням сигналів і регулюванням гучності і балансу. Мікшер необхідний, зокрема, для надання можливості користувачеві управляти рівнями. Потім відрегульований і збалансований сигнал потрапляє в аналогово-цифровий перетворювач, де сигнал дискретизується і квантів, в результаті чого в комп'ютер по шині даних направляється біт-потік, який і являє собою оцифрований аудіо сигнал. Висновок аудіо інформації майже аналогічний введенню, тільки відбувається в зворотну сторону. Потік даних, спрямований в звукову карту, долає цифро-аналоговий перетворювач, який утворює з чисел, що описують амплітуду сигналу, електричний сигнал; отриманий аналоговий сигнал може бути пропущений через будь-які аналогові тракти для подальших перетворень, в тому числі і для відтворення. Треба відзначити, що якщо звукова карта обладнана інтерфейсом для обміну цифровими даними, то при роботі з цифровим аудіо ніякі аналогові блоки картки не задіюються.

          Також, важливо звернути увагу на переваги та недоліки цифрового звуку. З точки зору звичайного користувача, вигоди багато - компактність сучасних носіїв інформації дозволяє йому, наприклад, перевести всі диски і платівки з своєї колекції в цифрове представлення і зберегти на довгі роки на невеликому тридюймовому вінчестері або на десятці-іншому компакт дисків; можна скористатися спеціальним програмним забезпеченням і гарненько «почистити» старі записи з бобін і пластинок, видаливши з їх звучання шум і тріск; можна також не просто скорегувати звучання, але і прикрасити його, додати соковитості, об'ємності, відновити частоти. Крім перерахованих маніпуляцій зі звуком в домашніх умовах, Інтернет теж приходить на допомогу аудіо-любителю. Наприклад, мережа дозволяє людям обмінюватися музикою, прослуховувати сотні тисяч різних Інтернет-радіо станцій, а також демонструвати своє звукове творчість публіці, і для цього потрібен лише комп'ютер і Інтернет. І, нарешті, останнім часом з'явилася величезна маса різної портативної цифрової аудіо апаратури, можливості навіть самого середнього представника якої часто дозволяють з легкістю взяти з собою в дорогу колекцію музики, рівну по тривалості звучання десяткам годин.