В чем разница
Аналоговый звук — это непрерывная волна, которая в точности повторяет исходные колебания. Например, если записать композицию на грампластинку, то ее канавки будут прямым физическим отражением звуковой волны. Такой сигнал подвержен искажениям при копировании и перемещении. Но именно его мы чаще слышим в природе: человеческая речь и вокал, крик птиц, шум дождя, мелодия находящегося рядом музыкального инструмента.
В отличие от предыдущего типа цифровой звук — это серия дискретных значений, чисел. Они получаются в результате измерений традиционных звуковых волн через равные временные интервалы. Диджитал-вариант мелодии или голоса можно копировать и передавать без потери качества.
Ступени аналого-цифрового преобразования
Процесс перевода выполняется с помощью специального устройства — аналого-цифрового преобразователя (АЦП) — и состоит из трех основных этапов.
Дискретизация или выборка
Традиционный сигнал измеряется через строго определенные промежутки времени — так называемые интервалы дискретизации. На этом этапе важен такой параметр, как частота дискретизации — периодичность проведения замеров.
Для качественной записи вокала и музыки обычно применяется стандарт в 44,1 кГц. Он означает, что в одну секунду было проведено 44 100 измерений. Приведенное значение позволяет оцифровать весь диапазон слышимых человеческим ухом частот — примерно до 20 кГц.
Квантование
Преобразование измеренных значений в числовой формат. Каждому полученному значению присваивается ближайшее из ограниченного набора возможных. Число таких уровней определяется разрядностью (битовой глубиной) квантования.
Например, если разрядность составляет 16 бит, то каждой точке измерений может быть присвоено одно из 65 536 значений (216). Чем больше глубина, тем выше точность преобразования и тем меньше так называемый шум — погрешность, возникающая при округлении аналогового значения до ближайшего дискретного уровня.
Кодирование
Заключительный этап. Числовые значения зашифровываются в двоичный код, данные в котором можно хранить в памяти компьютера или на других носителях. Этот итоговый поток данных и будет привычным нам цифровым аудиофайлом.
Из чего состоят аналого-цифровые преобразователи
Современные АЦП — это сложные электронные устройства. Их ключевые компоненты:
- Схема выборки и хранения. «Замораживает» напряжение аналогового сигнала в момент измерения. Необходима для того, чтобы квантователь мог точно измерить значение в определенный момент.
- Квантователь. Сопоставляет аналоговое напряжение с дискретным цифровым значением.
- Кодировщик. Преобразует прерывистые значения в двоичный код.
- Синхронизирующий генератор. Отвечает за точность и стабильность частоты дискретизации.
Что определяет качество и точность преобразования
Оцифровка звука — многоэтапный и технически сложный процесс. Его успешность зависит от точности выполнения каждого шага. Основные параметры, которые определяют эффективность:
- Частота дискретизации. Чем она больше, тем точнее описывается высокочастотная часть сигнала. Это снижает риск потери информации и возникновения алиасинга — наложения высокочастотных компонентов на более низкие частоты.
- Разрядность. Обеспечивает больший динамический диапазон (разницу между самыми тихими и самыми громкими звуками) и снижает шум квантования.
- Джиттер — нестабильность тактового генератора. Если интервалы между отсчетами не строго одинаковы, в сигнал вносятся фазовые искажения. Чем меньше джиттер, тем точнее временная информация в цифровом сигнале.