Сделай Сам Свою Работу на 5

Кодирование звуковой информации





Семпл - это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала .

Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке называют его дискретизацией.

Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды (см. приложения рисунок 1.11, схема 3).

Параметры семплирования

Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность.
Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду.

Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Это объясняет то, что стандартная частота для звукового компакт-диска - это частота 44.1 кГц. Так как диапазон колебаний звуковых волн находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду должно быть больше, чем количество колебаний за тот же промежуток времени. Если же частота дискретизации значительно ниже частоты звуковой волны, то амплитуда сигнала успевает несколько раз измениться за время между измерениями, а это приводит к тому, что цифровой отпечаток несет хаотичный набор данных. При цифро-аналоговом преобразовании такой семпл не передает основной сигнал, а только выдает шум.



В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту семплирования 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно.

Если в виде графика представить один и тот же звук высотой 1 кГц (нота до седьмой октавы фортепиано примерно соответствует этой частоте), но семплированный с разной частотой (нижняя часть синусоиды не показана на всех графиках), то будут видны различия. Одно деление на горизонтальной оси , которая показывает время, соответствует 10 семплам. Масштаб взят одинаковый см. приложения рисунок 1.13). Можно видеть, что на частоте 11 кГц примерно пять колебаний звуковой волны приходится на каждые 50 семплов, то есть один период синусоиды отображается всего при помощи 10 значений. Это довольно неточная передача. В то же время, если рассматривать частоту оцифровки 44 кГц, то на каждый период синусоиды приходится уже почти 50 семплов. Это позволяет получить сигнал хорошего качества.



Разрядность указывает с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны.

Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. От частоты дискретизации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискретизации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц (количество измерений в секунду 8000) качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц (количество измерений в секунду 48000) - качеству звучания аудио- CD.



Если использовать 8-битное кодирование, то можно достичь точность изменения амплитуды аналогового сигнала до 1/256 от динамического диапазона цифрового устройства (28 = 256).

Если использовать 16-битное кодирование для представления значений амплитуды звукового сигнала, то точность измерения возрастет в 256 раз.

В современных преобразователях принято использовать 20-битное кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука.

Вспомним формулу К = 2a . Здесь К - количество всевозможных звуков (количество различных уровней сигнала или состояний), которые можно получить при помощи кодирования звука а битами

а К Применение
Недостаточно для достоверного восстановления исходного сигнала, так как будут большие нелинейные искажения. Применяют в основном в мультимедийных приложениях, где не требуется высокое качество звука
Используется при записи компакт-дисков,так как нелинейные искажения сводятся к минимуму.
Где требуется высококачественная оцифровка звука

Но эти данные истинны только для того сигнала, чей максимальный уровень 0 дБ. Если нужно семплировать сигнал с уровнем 6 дБ с разрядностью 16 бит, то для кодирования его амплитуды будет оставаться на самом деле только 15 бит. Если сигнал с уровнем 12 дБ, то 14 бит. С увеличением уровня сигнала увеличивается разрядность его оцифровки, а значит , уменьшается уровень нелинейных искажений (В технической литературе существует термин «шум квантования»), в свою очередь каждые 6 дБ уменьшающие уровень будут «съедать» 1 бит.

В настоящее время появился новый бытовой цифровой формат Audio DVD, который использует разрядность 24 бита и частоту семплирования 96 кГц. С его помощью можно избежать выше рассмотренного недостатка 16-битного кодирования.

На современные цифровые звуковые устройства устанавливаются 20-битные преобразователи. Звук так и остается 16-битным, преобразователи повышенной разрядности устанавливают для улучшения качества записи на низких уровнях. Их принцип работы заключается в следующем: исходный аналоговый сигнал оцифровывается с разрядностью 20 бит. Затем цифровой сигнальный процессор DSPП онижает его разрядность до 16 бит. При этом используется специальный алгоритм вычислений, при помощи которого можно снизить искажения низкоуровневых сигналов. Обратный процесс наблюдается при цифро-аналоговом преобразовании: разрядность повышается с 16 до 20 бит при использовании специального алгоритма, который позволяет более точно определять значения амплитуды. То есть звук остается 16-разрядным, но имеется общее улучшение качества звучания.

 

Кодирование звуковой информации

В аналоговой форме звук представляет собой волну с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой. При преобразовании звука в цифровую форму производится временная дискретизация, при которой в определенные моменты времени амплитуда звуковой волны измеряется и квантуется, то есть ей присваивается определенное значение из некоторого фиксированного набора. Данный метод называется еще импульсно-кодовой модуляцией РСМ (Pulse Code Modulation).

Преобразование непрерывной звуковой волны в последовательность звуковых импульсов различной амплитуды производится с помощью аналого-цифрового преобразователя, размещенного на звуковой плате. 16-битные звуковые карты обеспечивают возможность кодирования 65536 различных уровней громкости или 16-битную глубину кодирования. Качество кодирования звука зависит и от частоты дискретизации – количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Эта величина может принимать значения от 8 до 48 кГц.

Пример 1: Оцените информационный объем высококачественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 минута, если «глубина» кодирования 16 бит, а частота дискретизации 48 кГц.

Решение: Информационный объем звукового файла длительностью в 1 секунду равен:

16 бит • 48000 • 2 = 1536000 бит = 187,5 Кбайт.

Информационный объем звукового файла длительностью 1 минута равен:

187,5 Кбайт /с • 60 с ≈ 11 Мбайт.

Пример 2: Запишите звуковой файл длительностью 1 минута с «глубиной» кодирования 16 бит и частотой дискретизации 48 кГц. Сравните его объем с вычисленным значением в предыдущем примере.

Решение: Запишем звуковой файл с помощью стандартного приложения Звукозапись:

1. Выполните команду Пуск → Программы → Стандартные → Развлечения → Звукозапись.

2. В появившемся окне приложения Звук – Звукозапись выполните команду Файл → Свойства.

3. На появившейся диалоговой панели Свойства объекта «Звук» щелкните по кнопке Преобразовать.

4. На появившемся диалоговом окне Выбор звука с помощью раскрывающегося списка Формат: выберите стандартный формат РСМ.

В раскрывающемся списке Атрибуты: выберите качество дискретизации, например, 48 кГц; 16 бит; Стерео.

 

 

5. Получаемое значение объема 1 секунды оцифрованного звука (187 Кбайт) приблизительно равно вычисленному (187,5 Кбайт).

6. Запишите звуковой файл с выбранным качеством, сохраните его на диске и сравните его объем с вычисленным.

Записанные звуковые файлы можно редактировать, то есть вырезать, копировать и вставлять фрагменты файла. Кроме того, можно увеличивать или уменьшать громкость, применять различные звуковые эффекты (эхо, уменьшение или увеличение скорости воспроизведения, воспроизведение в обратном направлении и др.), а также накладывать файлы друг на друга (микшировать). Можно также изменять качество звука путем уменьшения или увеличения глубины кодирования и частоты дискретизации. Для редактирования звуковых файлов применяются специальные программы – звуковые редакторы.

Задача № 1

Подсчитать объем файла с 10 минутной речью записанного с частотой дискретизации 11025 Гц и разрядностью кода 4 бита на 1 измерение. (Ответ = 3,154277 Мбайт)

Решение:

l 1) выяснить, сколько всего значений считывается в память за время звучания файла;

l 2) выяснить разрядность кода (сколько бит в памяти занимает каждое измеренное значение);

l 3) перемножить результаты;

l 4) перевести результат в байты;

l 5) перевести результат в К байты;

l 6) перевести результат в М байты;

 

Задача № 2

Подсчитать время звучания звукового файла объемом 3.5 Мбайт, содержащего стереозапись с частотой дискретизации 44 100 Гц и разрядностью кода 16 бит на 1 измерение. (Ответ= 20,805 сек)

Решение:

l 1) Информационный объем файла перевести в К байты.

l 2) Информационный объем файла перевести в байты.

l 3) Информационный объем файла перевести в биты.

l 4) Выяснить, сколько значений всего измерялось (Информационный объем в битах поделить на разрядность кода).

l 5) Вычислить количество секунд звучания. (Предыдущий результат поделить на частоту дискретизации.)

 

Примеры

Задача 1

Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового звука на жестком диске или любом другом цифровом носителе, записанного с частотой

а) 44.1 кГц;

б) 11 кГц;

в) 22 кГц;

г) 32 кГц

и разрядностью 16 бит.

Решение
Если записывают моносигнал с частотой 44.1 кГц, разрядностью 16 бит (2 байта), то каждую минуту аналого-цифровой преобразователь будет выдавать 441000 * 2 * 60 = 529000 байт (примерно 5 Мб) данных об амплитуде аналогового сигнала, который в компьютере записываются на жесткий диск. Если записывают стереосигнал, то 1058000 байт (около 10 Мб)
Для частот 11, 22, 32 кГц расчеты производятся аналогично.

 

Задача 2

Какой информационный объем имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)?

Задача 3

Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20-битном кодировании и частоте дискретизации 44.1 кГц.


Задача 4

Определить количество уровней звукового сигнала при использовании устаревших 8-битных звуковых карт.

 

Задание №5  
Какой информационный объем имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)? Показать ответ Правильный ответ: 47Кб
 

 

Задание №6  
Оцените информационный объем высокачественного стереоаудиофайла длительностью звучания 1 минута, если "глубина" кодирования 16 бит,а частота дискретизации 48 кГц.

 

Самостоятельная работа

Вариант 1.

1. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 16 бит и 8 кГц.

2. Найдите х из следующего соотношения: 16х бит = 32 Мбайт.

3. Проверьте, является ли формула противоречием: (А В)( А С В).

 

Вариант 2.

1. Определите частоту дискретизации, если известно, что при 16-битном кодировании объем моноаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен 940 Кбайт.

2. Заполните пропуски числами: 5 Кбайт = _____ байт = _____ бит.

3. Постройте таблицу истинности для следующей формулы: (АВ А).

 

Вариант 3.

1. Рассчитайте время звучания моноаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен 700 Кбайт.

2. Переведите число 245 из шестеричной системы счисления в девятеричную.

3. Проверьте, является ли формула тавтологией: А ( В С А).

 

Вариант 4.

1. Оцените информационный объем стереоаудиофайла длительностью звучания 1 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 16 бит и 24 кГц.

2. Найдите х из следующего соотношения: 8х Кбайт = 16 Гбайт.

3. Проверьте, является ли формула законом логики: ( В С) АВ С.

 

Вариант 5.

1. Определите частоту дискретизации, если известно, что при 16-битном кодировании объем стереоаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен 157 Кбайт.

2. Заполните пропуски числами: _____ Кбайт = _____ байт = 12288 бит.

3. Проверьте, является ли формула противоречием: (ВС А В С).

 

Вариант 6.

1. Рассчитайте время звучания стереоаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен 6300 Кбайт.

2. Переведите число 624 из семеричной системы счисления в троичную.

3. Постройте таблицу истинности для следующей формулы: А ( В АС).

 

Вариант 7.

1. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 2 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 8 бит и 22,050 кГц.

2. Заполните пропуски числами: _____ Гбайт = 1536 Мбайт = _____ Кбайт.

3. Проверьте, является ли формула тавтологией: ВС А( В С).

 

Вариант 8.

1. Определите частоту дискретизации, если известно, что при 8-битном кодировании объем моноаудиофайла длительностью звучания в 30 сек. равен 210 Кбайт.

2. Переведите число 1110011 из двоичной системы счисления в двенадцатеричную.

3. Проверьте, является ли формула законом логики: (С В)( А В С).

 

Вариант 9.

1. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 1 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 16 бит и 8 кГц.

2. Найдите х из следующего соотношения: 16х бит = 32 Мбайт.

3. Проверьте, является ли формула противоречием: (А В)( А С В).

 

Вариант 10.

1. Определите частоту дискретизации, если известно, что при 16-битном кодировании объем моноаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен 940 Кбайт.

2. Заполните пропуски числами: 5 Кбайт = _____ байт = _____ бит.

3. Постройте таблицу истинности для следующей формулы: (АВ А).

 

Вариант 11.

1. Рассчитайте время звучания моноаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен 700 Кбайт.

2. Переведите число 245 из шестеричной системы счисления в девятеричную.

3. Проверьте, является ли формула тавтологией: А ( В С А).

Вариант 12.

1. Оцените информационный объем стереоаудиофайла длительностью звучания 1 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 16 бит и 24 кГц.

2. Найдите х из следующего соотношения: 8х Кбайт = 16 Гбайт.

3. Проверьте, является ли формула законом логики: ( В С) АВ С.

Вариант 13.

1. Определите частоту дискретизации, если известно, что при 16-битном кодировании объем стереоаудиофайла длительностью звучания в 10 сек. равен 157 Кбайт.

2. Заполните пропуски числами: _____ Кбайт = _____ байт = 12288 бит.

3. Проверьте, является ли формула противоречием: (ВС А В С).

Вариант 14.

1. Рассчитайте время звучания стереоаудиофайла, если при 16-битном кодировании и частоте дискретизации 32 кГц его объем равен 6300 Кбайт.

2. Переведите число 624 из семеричной системы счисления в троичную.

3. Постройте таблицу истинности для следующей формулы: А ( В АС).

Вариант 15.

1. Оцените информационный объем моноаудиофайла длительностью звучания 2 мин, если «глубина» кодирования и частота дискретизации звукового сигнала равны соответственно: 8 бит и 22,050 кГц.

2. Заполните пропуски числами: _____ Гбайт = 1536 Мбайт = _____ Кбайт.

3.Проверьте, является ли формула тавтологией: ВС А( В С).

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.