Оцифровка звукового сигнала

Обработка и синтез звука

Звуковые волны, представляющие из себя аналоговый сигнал, при обработке на компьютере преобразуются в цифровую форму.

Под аналоговым сигналом обычно понимают плавно изменяющиеся сигналы, непрерывные по амплитуде во времени. Простейшая звуковая волна представляется обычно напряжением (или током), изменяющимся во времени по синусоидальному закону. Причем ам­плитуда такой волны определяет громкость звука, а частота - его высоту. Частота измеряется обычно в герцах (одно колебание в секунду); частоты звуковых (слышимых) колебаний лежат в диапазоне от 17-20 Гц до 20 кГц.

Реальные звуки помимо громкости и частоты характеризуются также тембром. В этом случае кроме основного тона (колебания основной частоты) в сигнале присутствуют также колебания более высоких частот - обертоны. Именно амплитудами обертонов и характеризуется тембр (насыщенность) звука.

В общем случае IBM PC-совместимые компьютеры имеют несколько воз­можностей для генерирования (воспроизведения) звука с использованием звуковой карты. Выбор способа зависит в первую очередь от типа конкрет­ной карты (аудиоадаптера). Обычно в функциональном составе звуковых плат можно выде­лить следующие узлы:

• модуль для записи и воспроизведения звука;

• модуль синтезатора;

• модуль интерфейсов.

Таким образом, для воспроизведения звука используется циф­ро-аналоговое преобразование. В этом случае цифровые выборки реального звукового сигнала хранятся в памяти компьютера (например, в виде WAV-файлов) и преобразовываются в аналоговый сигнал через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП - DAC).

В состав аудиоадаптера входит аналого–цифровой преобразователь (АЦП - ADC), периодически определяющий уровень звукового сигнала и превращающий этот отсчет в цифровой код. АЦП служит для дискретизации реального сигнала по времени и квантования по уровню. Для этого, как правило, используются ADC с импульсно-кодовой модуляцией РСМ (Pulse Code Modulation). ADC пред­ставляет из себя устройство, способное формировать из аналогового сигнала эквивалентный цифровой сигнал. Аналоговый сигнал "проверяется" в строго определенные (равноудаленные и дискретные) моменты времени. Временные интервалы между этими моментами называют интервалами выборки (Sampling Interval). Величина, обратная интервалу (точнее времени) выборки, называется частотой пре­образования, или сэмплингом (Sampling Rate).

Полученная в результате амплитуда аналогового сигнала, или значение выборки (Sample Value), делится (квантуется) по уровню и кодируется в со­ответствующий параллельный цифровой код (Digital Sample). Для преобразования выборки аналогового сигнала в цифровой код требуется некоторое время. Оно обычно называется временем преобразования, или временем выборки (Sampling Time).

Преобразование аналогового сигнала в цифровой можно произвести только с какой-то степенью точности. Под разрешающей способностью ADC понимают наименьшее изменение аналогового сигнала, которое может привести к изменению цифрового кода. Например, 8-разрядный преобразо­ватель может квантовать амплитуду сигнала на 256 (2⁸), 16-разрядный - на 65536 (2¹⁶) интервалов. Та­ким образом, в заданном входном диапазоне 8-разрядный ADC "заметит" отклонение аналогового сиг­нала, если тот изменится не менее чем на 1/256 часть своего максимального зна­чения.

Значение каждого кванта округляется до ближайшего целого числа, и, если величина амплитуды больше определенного интер­вала, то происходит клиппинг (clipping), т.е. отсечение верхней и нижней вершин волны звукового сигнала. Квантование сигнала может вызвать не­желательный шипящий шум, а клиппинг приводит к большому искажению звука.

ADC звуковых карт обычно имеют разрядность 8, 12 или 16 бит. С увели­чением разрядности АЦП растет его динамический диапазон. Каждый бит соответствует примерно 6 дБ (децибелам). В этом случае 8-разрядное пре­образование может обеспечить динамический диапазон 48 дБ (качество кассетного магнитофона), 12-разрядное - 72 дБ (качество аналогового маг­нитофона с катушками) и 16-разрядное - 96 дБ (качество, ассоциируемое с компакт-диском).

Для воспроизведения звука служит ЦАП, который выполняет обратное преобразование (параллельный код - аналоговый сигнал). После фильтра­ции выходной аналоговый сигнал поступает на усилитель мощности, откуда он может быть выведен на акустическую систему.

Дата добавления: 2017-01-13