Журнал.Chip 04.2005

Теорема Котельникова-Найквиста

Стр. 13

Оптимальный выбор частоты дискретизации представляет собой серьезную задачу, ответ на которую дала теорема Котельникова-Найквиста. Согласно этой теореме, для отображения звукового сигнала некоторой частоты F необходима дискретизация исходного сигнала с частотой не менее 2F. Величина, соответствующая половине частоты дискретизации (то есть в нашем случае F), называется пределом Найквиста.

Так как человеческое ухо воспринимает звук с частотой до 20кГц, необходимая минимальная частота дискретизации звука должна быть не менее 40кГц, чтобы полученный цифровой сигнал не потерял часть слышимого человеческим ухом спектра. Сейчас наиболее часто при оцифровке звука используется частота дискретизации 44,1 кГц.

Амплитудное разрешение определяется числом амплитудных градаций, используемых при квантовании амплитуды звукового сигнала (то есть при представлении амплитуды сигнала в цифровом виде). Еще недавно при оцифровке звука использовали 65536 амплитудных градаций. Так как для представления чисел от 0 до 65 536 необходимо 16 бит информации, то часто говорят о 16-битном формате звука. В настоящее время звук обрабатывают, как правило, в 24-битном разрешении. Для профессиональных музыкантов, работающих с цифровыми технологиями, 24-битное представление значения амплитуды звукового сигнала стало стандартом.

Стандарт аудио cd

Стр.15

Нельзя не сказать несколько слов о первом стандарте цифрового звука, который в буквальном смысле совершил революцию. Это стандарт аудио CD, с которого по большому счету и началась эра всепоглощающего проникновения цифрового звука в нашу жизнь.

Музыкальный компакт-диск был введен в обращение в начале 80-х годов компаниями Sony и Philips. Основными характеристиками цифрового звука стали частота дискретизации 44,1 кГц и 16-битовое представление амплитуды сигнала. Первым и несомненным плюсом разработанного носителя стала беспрецедентная долговечность хранения информации. Ни один ранее использовавшийся носитель не мог сравниться с ним.

Отсутствие контакта между диском и считывающим устройством позволяло эксплуатировать компакт-диски по несколько раз в день и делать это годами. Вторым плюсом стали более миниатюрные размеры диска, что значительно упрощало эксплуатацию нового носителя. И, конечно же, нельзя не отметить его высокое качество звучания.

Однако со временем у компакт-дисков обнаружился недостаток. Верхняя частота диапазона воспроизведения компакт-диска была равна половине его частоты дискретизации, то есть 22,05 кГц, в то время как у аналоговых носителей этот показатель был гораздо выше. И хотя частоты выше 19-20 кГц уже относятся к ультразвуку и не слышимы, обертональные составляющие большинства акустических инструментов лежат именно в этой области и оказывают влияние на впечатление от прослушивания: если их нет, запись кажется «неживой».

Поэтому не за горами широкое распространение новых стандартов цифрового представления аудиоинформации, таких как аудио DVD или Super audio CD. И сейчас можно с уверенностью сказать, что самое интересное в цифровом звуке еще только начинается.

Стр.17

Современный ПК является очень удобным средством записи, хранения и обработки звука. Именно благодаря компьютеру популярный формат MP3 практически вытеснил еще недавно являвшийся стандартом аудио CD. Это неудивительно, так как, помимо всего прочего, жесткий диск является практически идеальным носителем звуковой информации по долговечности, надежности хранения и емкости, значительно превосходящим CD.

Для хранения музыки на компьютере используется множество форматов. Условно их можно разделить на 2 типа: форматы, хранящие оцифрованный поток аудиоданных, и те, которые вместо аудиоданных содержат последовательности команд (нотные партитуры). Соблюдая историческую очередность, мы начнем наш рассказ с первого типа форматов.