Кодирование звуковой информации: частота дискретизации и квантование
Теорема Котельникова-Найквиста, частота дискретизации, глубина квантования (разрядность регистра), число каналов k, расчет объема звукового файла I = ν · b · t · k.
Звук представляет собой механическую упругую волну распространения колебаний давления в упругой среде (воздухе, воде или металле). График изменения звукового давления во времени представляет собой гладкую непрерывную кривую — аналоговый сигнал.
Компьютер не может непосредственно работать с непрерывными кривыми. Чтобы сохранить звук в цифровом виде, его необходимо оцифровать при помощи аналого-цифрового преобразователя (АЦП / ADC), установленного в любой звуковой карте или смартфоне.
Оцифровка звука включает два взаимосвязанных процесса:
1. Временная дискретизация — измерение мгновенного значения амплитуды звуковой волны через строго равные малые интервалы времени;
2. Квантование по уровню — округление измеренной амплитуды до ближайшего дискретного уровня шкалы и запись его в виде двоичного числа.
Аналоговый звук
АЦП (ADC)
Частота дискретизации (ν — sampling rate) — это количество замеров (отсчетов) уровня звукового сигнала, производимых АЦП за одну секунду. Измеряется в Герцах (Гц) и Килогерцах (кГц).
Теорема Котельникова — Найквиста (Шеннона):
Чтобы аналоговый звуковой сигнал мог быть точно и без искажений восстановлен из цифровых отсчетов, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше максимальной частоты, присутствующей в звуковом спектре:
Человеческое ухо способно слышать звуки с частотой колебаний примерно до 20 кГц (20 000 Гц). Поэтому для высококачественного звука формата Audio CD была принята стандартная частота дискретизации кГц ( замеров в секунду), что перекрывает диапазон до Гц.
В профессиональных студиях используют частоты 48 кГц, 96 кГц и даже 192 кГц.
Теорема Котельникова
Audio CD: 44.1 кГц
Второй ключевой параметр — глубина квантования (b — разрядность звука / bit depth):
Количество бит, используемое для двоичной записи громкости одного отсчета.
Количество дискретных уровней громкости равно :
• При бит доступно всего уровней (шумный звук телефонного качества);
• При бит доступно уровней громкости (динамический диапазон CD около 96 дБ без слышимого фонового шума);
• При бита доступно уровней (студийный стандарт Hi-Res Audio).
Число каналов записи (k):
• Моно (k = 1) — одноканальная запись (один микрофон);
• Стерео (k = 2) — двухканальная запись (левый и правый каналы для создания объемной звуковой сцены);
• Quadro (k = 4) — четырехканальный звук;
• 5.1 Surround (k = 6) — многоканальный кинематографический объемный звук.
Глубина звука (b)
Стерео (k = 2)
Информационный объем несжатого цифрового аудио (PCM / WAV) рассчитывается по фундаментальной формуле:
(в битах)
где:
• — частота дискретизации в Герцах (Гц);
• — глубина кодирования звука в битах (бит);
• — длительность звучания в секундах (с);
• — коэффициент канальности (1 для моно, 2 для стерео).
Чтобы перевести полученный объем в Мегабайты, делят на .
