Кодирование звуковой информации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения у потребителя

 

Рисунок 2 - Полный цикл преобразования звука: от оцифровки до воспроизведения

Помехоустойчивое кодирование позволяет при воспроизведении сигнала выявить и устранить (или снизить частоту их появления) ошибки чтения с носителя. Для этого при записи к сигналу полученному на выходе АЦП добавляется искусственная избыточность (контрольный бит), которая впоследствии помогает восстановить поврежденный отсчет. В устройствах записи звука обычно используется комбинация из двух или трех помехоустойчивых кодов. Для лучшей защиты от пакетных ошибок также применяется перемежние. Канальное кодирование служит для согласования цифровых сигналов с параметрами канала передачи (записи/воспроизведения). К полезному сигналу добавляются вспомогательные данные, которые облегчают последующее декодирование. Это могут быть сигналы временного кода, служебные сигналы, сигналы синхронизации. В устройствах воспроизведения цифровых сигналов канальный декодер выделяет из общего потока данных тактовые сигналы и преобразует поступивший канальный сигнал в цифровой поток данных. После коррекции ошибок сигнал поступает в ЦАП.

3.1. Принцип действия ЦАП

Цифровой сигнал, полученный с декодера, преобразовывается  в аналоговый сигнал. Это преобразование происходит следующим образом:

а) декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал;

б) путем сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал;

в) окончательное восстановление сигнала производится путем подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот.

Основными параметрами, влияющими на качество звука при этом являются:

а) разрядность АЦП и ЦАП;

б) частота дискретизации АЦП и ЦАП;

в) джиттер АЦП и ЦАП;

г) передискретизация.

Также немаловажными  остаются параметры аналогового  тракта цифровых устройств кодирования и декодирования:

а) отношение сигнал/шум;

б) коэффициент нелинейных искажений;

в) интермодуляционные искажения;

г) неравномерность амплитудно-частотной характеристики;

д) взаимопроникновение каналов;

е) динамический диапазон.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Методы кодирования

Методы кодирования  звука (конечно, имеется в виду электрический сигнал, поступающий с микрофона) основаны на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой синусоиду, называемых спектром исходного сигнала. Задачей кодирования звука, как и другого аналогового сигнала, является представление его в форме другого аналогового или цифрового сигнала, более удобного для передачи или хранения в каждом конкретном случае. Реальные источники звука имеют ограниченную ширину спектра, поэтому для кодирования применяют такие методы преобразования, которые преобразуют исходный сигнал в такой, спектр которого наиболее подходит для передачи по выбранному каналу.

4.1. Частотная модуляция

Представление аналогового сигнала в виде другого  аналогового сигнала обычно называется модуляцией, а представление в цифровом виде - кодировкой. Это разделение очень условно. Аналоговый сигнал может быть представлен в виде гармонического сигнала (то есть синусоиды), параметры которого изменяются в зависимости от значения первоначального сигнала. В том случае, когда с изменением первоначального сигнала изменяется амплитуда синусоиды - мы имеем дело с амплитудной модуляцией (AM). Если в зависимости от значения исходного сигнала изменяются частота или фаза синусоиды - мы имеем дело с частотной модуляцией (FM) или фазовой модуляцией (PM). Амплитудная и частотная модуляция, например, широко используются для передачи звука по радио. Эти виды модуляции, конечно, не являются разложением исходного сигнала по гармоникам. Развитие цифровой техники и применение компьютерной обработки и хранения информации привело к широкому применению импульсных методов модуляции или кодирования. Такими видами модуляции являются, например, импульсно-кодовая модуляция, при которой значение исходного сигнала через определенные промежутки времени представляется в виде кода. Для получения цифрового кода аналоговой величины применяют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

Подавляющее большинство "компьютерного звука" является именно записью двоичного кода сигнала, полученного через небольшие равные промежутки времени, определяемые частотой дискретизации. Для хранения и передачи по каналам связи такой сигнал обычно подвергается сжатию (то есть уменьшению объема путем отбрасывания ненужной или малозначимой информации). Кроме импульсно-кодовой модуляции для кодирования звука применяют и другие виды цифровой модуляции (широтно-импульсную, частотно импульсную и прочее). Эти виды модуляции иногда применяют для передачи звука по цифровым каналам, но в компьютерной технике их используют редко и в основном как промежуточные для некоторых видов цифровой фильтрации и создания звуковых эффектов.

4.2. Таблично-волновой синтез

Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (хотя не только для них). В технике такие образцы называют семплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Звук представляет собой  гармонические колебания в определенном диапазоне частот, распространяющихся в определенной среде. Сигналы, несущие звук, являются аналоговыми (непрерывными). Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), мы увидим плавно изменяющееся с течением времени напряжение.

Для компьютерной обработки  аналоговый сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел, а для этого его необходимо дискретизировать и оцифровать.

Можно поступить следующим  образом: измерять амплитуду сигнала  через равные промежутки времени и записывать полученные числовые значения в память компьютера.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы:

1. Информатика: Базовый курс: учебник / Под ред. С.В. Симоновича 2-е изд.: СПб.: Питер, 2010. – 640 с.: ил.

2. Информатика: Учебник. / Под ред. Н.В. Макаровой - 3-е изд., перераб.: М.: «Финансы и статистика», 2009. – 768 с.: ил.

3. Информатика: Общий курс: Учебник /А.Н. Гуда, М.А. Бутакова, Н.М. Нечитайло, А.В. Чернов; Под ред. В.И. Колесникова: М.: ИТК «Дашков и Ко», 2008. – 400 с.

4. Экономное кодирование дискретной информации. / Под ред. В.В. Семенюка: СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001