Кодирование звуковой информации

Пример представления аналогового сигнала в цифровой форме

Процесс дискретизации по времени — процесс получения значений сигнала, который преобразуется с определенным временным шагом — шагом дискретизации . Количество замеров величины сигнала, осуществляемых в единицу времени, называют частотой дискретизации или частотой выборки, или частотой семплирования (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 находится частота спектра равная 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 (20 Гц — 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 (хотя исходя из теоремы Шенона и Котельникова это возможно)

Отведём для записи одного значения амплитуды сигнала в памяти компьютера N бит. Значит, с помощью одного N -битного слова можно описать 2^N разных положений. Пусть амплитуда оцифровываемого сигнала колеблется в пределах от −1 до 1 некоторых условных единиц. Представим этот диапазон изменения амплитуды — динамический диапазон сигнала — в виде 2^N −1 равных промежутков, разделив его на 2^N уровней — квантов. Теперь, для записи каждого отдельного значения амплитуды, его необходимо округлить до ближайшего уровня квантования. Этот процесс носит название квантования по амплитуде. Квантование по амплитуде — процесс замены реальных значений амплитуды сигнала значениями, приближенными с некоторой точностью. Каждый из 2 ^N возможных уровней называется уровнем квантования, а расстояние между двумя ближайшими уровнями квантования называется шагом квантования. Если амплитудная шкала разбита на уровни линейно, квантование называют линейным (однородным).
Точность округления зависит от выбранного количества (2^N) уровней квантования, которое, в свою очередь, зависит от количества бит (N), отведенных для записи значения амплитуды. Число N называют разрядностью квантования (подразумевая количество разрядов, то есть бит, в каждом слове), а полученные в результате округления значений амплитуды числа — отсчетами или семплами (от англ. « sample» — «замер»). Принимается, что погрешности квантования, являющиеся результатом квантования с разрядностью 16 бит, остаются для слушателя почти незаметными. Этот способ оцифровки сигнала — дискретизация сигнала во времени в совокупности с методом однородного квантования — называется импульсно-кодовой модуляцией, ИКМ (англ. Pulse Code Modulation — PCM).
Оцифрованный сигнал в виде набора последовательных значений амплитуды уже можно сохранить в памяти компьютера. В случае, когда записываются абсолютные значения амплитуды, такой формат записи называется PCM (Pulse Code Modulation). Стандартный аудио компакт-диск (CD-DA), применяющийся с начала 80-х годов 20-го столетия, хранит информацию в формате PCM с частотой дискретизации 44.1 кГц и разрядностью квантования 16 бит.

• Способ неоднородного квантования предусматривает разбиение амплитудной шкалы на уровни по логарифмическому закону. Такой способ квантования называют логарифмическим квантованием. При использовании логарифмической амплитудной шкалы, в области слабой амплитуды оказывается большее число уровней квантования, чем в области сильной амплитуды (при этом, общее число уровней квантования остается таким же, как и в случае однородного квантования). Аналогово-цифровое преобразование, основанное на применении метода неоднородного квантования, называется неоднородной импульсно-кодовой модуляцией — неоднородной ИКМ (Nonuniform PCM).
• Альтернативным способом аналогово-цифрового преобразования является разностная импульсно-кодовая модуляция — разностная ИКМ (англ. « Differential PCM») — в случае разностной ИКМ квантованию подвергают не саму амплитуду, а относительные значения величины амплитуды. В полной аналогии с ИКМ, разностная ИКМ может сочетаться с использованием как однородного, так и неоднородного методов квантования. Разностное кодирование имеет много разных вариантов[2].

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

1. Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.
2. 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.
3. Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.
4. 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 получения качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

• 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.

• MP3 — MPEG-1 Layer 3
• ОGG — Ogg Vorbis
• WMA — Windows Media Audio
• MPC — MusePack
• AAC — MPEG-2/4 AAC (Advanced Audio Coding)
  • Стандарт MPEG-2 AAC
  • Стандарт MPEG-4 AAC

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 перемежение. 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.

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

1. Декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал
2. Путём сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
3. Окончательное восстановление сигнала производится путём подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот

Основными параметрами, влияющими на качество звука при этом являются:

• Разрядность АЦП и ЦАП.
• Частота дискретизации АЦП и ЦАП.
• Джиттер АЦП и ЦАП
• Передискретизация

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

• Отношение сигнал/шум
• Коэффициент нелинейных искажений
• Интермодуляционные искажения
• Неравномерность амплитудно-частотной характеристики
• Взаимопроникновение каналов
• Динамический диапазон