Реализация цифрового звука: дискретизация, квантование, кодирование звука.

Ответ:В основе кодирования звука с использованием ПК лежит процесс преобразования колебаний воздуха в колебания электрического тока и последующая дискретизация аналогового электрического сигнала. Кодирование и воспроизведение звуковой информации осуществляется с помощью специальных программ (редактор звукозаписи). Качество воспроизведения закодированного звука зависит от частоты дискретизации и её разрешения (глубины кодирования звука - количество уровней).

Цифровой звук – это аналоговый звуковой сигнал, представленный посредством дискретных численных значений его амплитуды.

Оцифровка звука — технология поделенным временным шагом и последующей записи полученных значений в численном виде.
Другое название оцифровки звука — аналогово-цифровое преобразование звука.

Оцифровка звука включает в себя два процесса:
процесс дискретизации (осуществление выборки) сигнала по времени
процесс квантования по амплитуде.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

Вышеописанный процесс оцифровки звука выполняется аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП).
Это преобразование включает в себя следующие операции:

Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.

Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.

Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.

Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц, требуется частота дискретизации от 44,1 и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192 и даже 384 кГц). Для получение качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Процесс дискретизации по времени - процесс получения значений сигнала, который преобразуется, с определенным временным шагом - шагом дискретизации . Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в одну секунду, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой сэмплирования (от англ. « sampling» – «выборка»). Чем меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации и тем более точное представление о сигнале нами будет получено.
Это подтверждается теоремой Котельникова (в зарубежной литературе встречается как теорема Шеннона, Shannon). Согласно ей, аналоговый сигнал с ограниченным спектром точно описуем дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения берутся с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра сигнала. То есть, аналоговый сигнал, в котором наивысшая частота спектра равна F_m, может быть точно представлен последовательностью дискретных значений амплитуды, если для частоты дискретизации F_d выполняется: F_d>2F_m.
На практике это означает, что для того, чтобы оцифрованный сигнал содержал информацию о всем диапазоне слышимых частот исходного аналогового сигнала (0 – 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты дискретизации составляло не менее 40 кГц. Количество замеров амплитуды в секунду называют частотой дискретизации (в случае, если шаг дискретизации постоянен).
Основная трудность оцифровки заключается в невозможности записать измеренные значения сигнала с идеальной точностью.

Терминология

кодер – программа (или устройство), реализующая определенный алгоритм кодирования данных (например, архиватор, или кодер MP 3), которая в качестве ввода принимает исходную информацию, а в качестве вывода возвращает закодированную информацию в определенном формате.

декодер – программа (или устройство), реализующая обратное преобразование закодированного сигнала в декодированный.

кодек (от англ. « codec » - « Coder / Decoder ») - программный или аппаратный блок, предназначенный для кодирования/декодирования данных.

Методы синтеза звука.

Ответ:Аддитивный (additive). Основан на утверждении Фурье о том, что любое периодическое колебание можно представить в виде суммы чистых тонов (синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами). Для этого нужен набор из нескольких синусоидальных генераторов с независимым управлением, выходные сигналы которых суммируются для получения результирующего сигнала. На этом методе основан принцип создания звука в духовом органе.

Достоинства метода: позволяет получить любой периодический звук, и процесс синтеза хорошо предсказуем (изменение настройки одного из генераторов не влияет на остальную часть спектра звука). Основной недостаток - для звуков сложной структуры могут потребоваться сотни генераторов, что достаточно сложно и дорого реализовать. Для снижения стоимости реализации вместо набора отдельных генераторов (реальных или математических) применяется обратное преобразование Фурье.

2. Разностный (subtractive). Идеологически противоположен первому. В основу положена генерация звукового сигнала с богатым спектром (множеством частотных составляющих) с последующей фильтрацией (выделением одних составляющих и ослаблением других) - по этому принципу работает речевой аппарат человека. В качестве исходных сигналов обычно используются меандр (прямоугольный, square), с переменной скважностью (отношением всего периода к положительному полупериоду), пилообразный (saw) - прямой и обратный, и треугольный (triangle), а также различные виды шумов (случайных непериодических колебаний). Основным органом синтеза в этом методе служат управляемые фильтры: резонансный (полосовой) - с изменяемым положением и шириной полосы пропускания (band) и фильтр нижних частот (ФНЧ) с изменямой частотой среза (cutoff). Для каждого фильтра также регулируется добротность (Q) - крутизна подъема или спада на резонансной частоте.

Достоинства метода - относительно простая реализация и довольно широкий диапазон синтезируемых звуков. На этом методе построено множество студийных и концертных синтезаторов (типичный представитель - Moog). Недостаток - для синтеза звуков со сложным спектром требуется большое количество управляемых фильтров, которые достаточно сложны и дороги.

3. Частотно-модуляционный (frequency modulation - FM). В основу положена взаимная модуляция по частоте между несколькими синусоидальными генераторами. Каждый из таких генераторов, снабженный собственными формирователем амплитудной огибающей, амплитудным и частотным вибрато, именуетчся оператором. Различные способы соединения нескольких операторов, когда сигналы с выходов одних управляют работой других, называются алгоритмами синтеза. Алгоритм может включать один или больше операторов, соединенных последовательно, параллельно, последовательно-параллельно, с обратными связями и в прочих сочетаниях - все это дает практически бесконечное множество возможных звуков.

Благодаря простоте цифровой реализации, метод получил широкое распространение в студийной и концертной практике (типичный представитель класса синтезаторов - Yamaha DX). Однако практическое использование этого метода достаточно сложно из-за того, что большая часть звуков, получаемых с его помощью, представляет собой шумоподобные колебания, и достаточно лишь слегка изменить настройку одного из генераторов, чтобы чистый тембр превратился в шум. Однако метод дает широкие возможности по синтезу разного рода ударных звуков, а также - различных звуковых эффектов, недостижимых в других методах разумной сложности.

4. Самплерный (sample - выборка). В этом методе записывается реальное звучание (сампл), которое затем в нужный момент воспроизводится. Для получения звуков разной высоты воспроизведение ускоряется или замедляется; при неизменной скорости выборки применяется расчет промежуточных значений отсчетов (интерполяция). Чтобы тембр звука при сдвиге высоты не менялся слишком сильно, используется несколько записей звучания через определенные интервалы (обычно - через одну-две октавы). В ранних самплерных синтезаторах звуки в буквальном смысле записывались на магнитофон, в современных применяется цифровая запись звука.

Метод позволяет получить сколь угодно точное подобие звучания реального инструмента, однако для этого требуются достаточно большие объемы памяти. С другой стороны, запись звучит естественно только при тех же параметрах, при которых она была сделана - при попытке, например, придать ей другую амплитудную огибающую естественность резко падает.

Для уменьшения требуемого объема памяти применяется зацикливание сампла (looping). В этом случае записывается только короткое время звучания инструмента, затем в нем выделяется средняя фаза с установившимся (sustained) звуком, которая при воспроизведении повторяется до тех пор, пока включена нота (нажата клавиша), а после отпускания воспроизводится концевая фаза.

На самом деле этот метод нельзя с полным правом называть синтезом - это скорее метод записи-воспроизведения. Однако в современных синтезаторах на его основе воспроизводимый звук можно подвергать различной обработке - модуляции, фильтрованию, добавлению новых гармоник, звуковых эффектов, в результате чего звук может приобретать совершенно новый тембр, иногда совсем непохожий на первоначальный. По сути, получается комбинация трех основных методов синтеза, где в качестве основного сигнала используется исходное звучание.

Типичный представитель этого класса синтезаторов - E-mu Proteus.

5. Таблично-волновой (wave table). Разновидность самплерного метода, когда записывается не все звучание целиком, а его отдельные фазы - атака, начальное затухание, средняя фаза и концевое затухание, что позволяет резко снизить объем памяти, требуемый для хранения самплов. Эти фазы записываются на различных частотах и при различных условиях (мягкий или резкий удар по клавише рояля, различное положение губ и языка при игре на саксофоне и т.п.), в результате чего получается семейство звучаний одного инструмента. При воспроизведении эти фазы нужным образом составляются, что дает возможность при относительно небольшом объеме самплов получить достаточно широкий спектр различных звучаний инструмента, а главное - заметно усилить выразительность звучания, выбирая, например, в зависимости от силы удара по клавише синтезатора не только нужную амплитудную огибающую, как делает любой синтезатор, но и нужную фазу атаки.

Основная проблема этого метода - в сложности сопряжения различных фаз друг с другом, чтобы переходы не воспринимались на слух и звучание было цельным и непрерывным. Поэтому синтезаторы этого класса достаточно редки и дороги.

Этот метод также используется в в синтезаторах звуковых карт персональных компьютеров, однако его возможности там сильно урезаны. В частности, почти нигде не применяют составление звука из нескольких фаз, сводя метод к простому самплерному, хотя почти везде есть возможность параллельного воспроизведения более одного сампла внутри одной ноты.

6. Метод физического моделирования (physical modelling). Состоит в моделировании физических процессов, определяющих звучание реального инструмента на основе его заданных параметров (например, для скрипки - порода дерева, состав лака, геометрические размеры, материал струн и смычка и т.п.). В связи с крайней сложностью точного моделирования даже простых инструментов и огромным объемом вычислений метод пока развивается медленно, на уровне студийных и экспериментальных образцов синтезаторов. Ожидается, что с момента своего достаточного развития он заменит известные методы синтеза звучаний акустических инструментов, оставив им только задачу синтеза не встречающихся в природе тембров.

7. (Alexander Grigoriev) WaveGuide технология, активно pазpабатываемая в Стэнфоpдcком Унивеpcитете и пpименяемая yже в неcкольких промышленных моделях электpонных pоялей, напpимеp, фиpмы Baldwin. Пpедcтавляет cобой pазновидноcть физичеcтого моделиpования, пpи котоpой моделиpyетcя pаcпpоcтpанение колебаний, пpедcтавленных диcкpетными отcчетами, по cтpyне (одномеpное моделиpования) и по pезонанcным повеpхноcтям (двyмеpное моделирование) или в объемном pезонатоpе (тpехмеpное). Пpи этом появляетcя возможноcть моделиpовать также нелинейные эффекты, напpимеp yдаp молоточка и каcание cтpyны демпфеpом, а также взаимнyю cвязь cтpyн и cвязь гоpизонтальной и веpтикальной мод.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: