Основы цифрового звука. О цифровом звуке

Основы цифрового звука (О цифровом звуке)
Чтобы можно было вести дальнейший рассказ о звуковых адаптерах, необходимо рассмотреть особенности цифрового представления звука, которое используется в любом компьютерном звуковом адаптере. Как известно, звуковые волны - это колебания плотности воздуха, порожденные соударением отдельных атомов газа. Однако, благодаря малым размерам атомов, принято считать, что изменение плотности носит предельно плавный, непрерывный характер, так как ни ухо, ни большинство приборов не ощущают этой "скачкообразности", или, как обычно говорят - дискретности звука.

Форма обычного электрического звукового сигнала в точности повторяет форму графика давления, поэтому такой сигнал принято называть аналоговым.

Теория гласит, что если периодический звуковой сигнал разбить на еще более частые элементы (импульсы), частота следования которых как минимум вдвое превышает наивысшую частоту сигнала, то вся заключенная в сигнале информация будет сохранена. Этот процесс называют временной дискретизатией, а частоту импульсов - частотой дискретизации. При восстановлении отдельные импульсы, подобно кинокадрам или цветным точкам на мониторе, сливаются в ощутимо непрерывную звуковую волну.

И наконец, амплитуду каждого полученного импульса (отсчета) также можно округлить до ближайшего дискретного значения, чтобы результат можно было представить целым числом. Таким образом, из непрерывного звукового сигнала получается дискретный поток чисел, пригодный для ввода в компьютер, хранения и обработки. Звук в цифровую форму переводит аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), а обратно - цифро-аналоговый (ЦАП).

Таким образом, главными параметрами цифрового звука является частота дискретизации (ЧД) и количество ступеней амплитуды (обозначаемое двоичной разрядностью отсчета - РО). ЧД определяет частотный диапазон - прозрачность, звонкость звука, а РО - количество шумов, или "гладкость" звука.

Чтобы оставить запас на несовершенство методов и аппаратуры, ЧД выбирают чуть выше необходимой; например, сигналы частотой до 20 кГц обычно дискретизуют с частотой 44.1 кГц. Не так давно стало известно, что человек воспринимает (часто - неосознанно) частоты и выше 20 кГц, поэтому в профессиональной аппаратуре применяют ЧД до 48..96 кГц. Разрядности 8 бит (256 ступеней) соответствует качество телефонного сигнала, 16 бит (65536) - компакт-диска, 20..24 - студийной аппаратуры.

Сочетание ЧД, РО и количества каналов (моно/стерео) называют форматом цифрового звука. Большинство современных звуковых адаптеров поддерживает работу с форматами до 44.1/16/стерео, что соответствует формату сигнала на компакт-диске. Однако заявленное в документации к адаптеру "качество CD" еще совершенно не гарантирует столь же хорошего звучания, как у бытовых проигрывателей Hi-Fi. Значительную роль играет качество АЦП, ЦАП, усилителей и прочих узлов, не являющихся чисто цифровыми. Вообще, в таком богатом источниками помех устройстве, как компьютер, весьма трудно получить очень хороший звук прямо из адаптера, гурманы предпочитают выносные модули ЦАП/АЦП с автономным питанием.

Чем выше разрешающая способность формата, тем больший объем данных порождается звуковым потоком. Каждая секунда звука в формате CD занимает 176400 байт, и при работе адаптера этот поток данных в реальном времени пересылается между компьютером и адаптером. Однако скорости даже самой медленной и устаревшей шины ISA - 5 Мб/с - вполне достаточно для одновременной пересылки нескольких таких потоков, поэтому многие адаптеры до сих пор выпускаются с интерфейсом ISA.

Будучи преобразован в цифровую форму, звуковой сигнал "застывает" - в этом виде он уже не подвержен деградации при хранении и копировании, как обычная аналоговая запись. Если с цифровым сигналом обращаться по всем правилам - его можно хранить вечно и копировать любое число раз без какой-либо потери качества.

Евгений Музыченко
Новосибирск