Оцифровка аналогового сигнала
Фразу «передача и запись звука» вам, наверное, приходилось слышать не раз, но вряд ли вы задумывались над тем, что она не совсем точно соответствует действительности.
Пожалуй, единственным устройством, в котором запись звука осуществлялась в буквальном смысле, был фонограф Эдисона. Во всех остальных случаях, когда речь заходит о «записи звука», фактически записывается или передается не сам звук, а информация о том, какими были колебания воздуха в момент записи.
В настоящее время для записи и передачи информации о звуке используются два принципиально различных способа - аналоговый и цифровой.
В первом случае изменениям звукового давления соответствуют пропорциональные изменения другой физической величины, например, электрического напряжения. В этом случае изменения электрического напряжения являются новым «носителем» информации о звуке.
Такой способ сохранения звуковой информации является аналоговым, и еще совсем недавно в звукозаписи и радиовещании он был единственным. В аналоговой электронике важно, чтобы изменение напряжения точно соответствовало изменению звукового давления. Напомним, что амплитуда звуковой волны определяет громкость звука, а ее частота - высоту звукового тона, следовательно, для достоверного сохранения звуковой информации амплитуда электрического напряжения должна быть пропорционально амплитуде звуковых колебаний. Частота напряжения, в свою очередь, должна соответствовать частоте звуковых колебаний.
Таким образом, нетрудно заметить, что форма электрического сигнала является полной копией формы звукового колебания и несет практически полную информацию о звуке. Преобразовать звуковые колебания в колебания электрического напряжения можно с помощью обычного микрофона.
Изменению электрического напряжения можно поставить в соответствие изменение магнитного поля ленты в магнитофоне или звукового потока от звуковой дорожки кинопленки при оптической записи. Но каким бы ни был новый «носитель» информации, изменение его свойств всегда должно быть пропорционально изменению давления воздуха в исходной звуковой волне.
Второй способ получения информации о звуке предполагает измерение значения давления в звуковой волне. Возникающая при этом последовательность чисел - цифровой сигнал - есть не что иное, как новое выражение исходных звуковых колебаний. Естественно, чтобы правильно передать форму сигнала, эти измерения надо проводить достаточно часто - не менее нескольких раз за период самой высокочастотной составляющей звукового сигнала.
Цифровая система записи (передачи) звука в самом общем виде состоит из цифрового микрофона (измерителя звукового давления), цифрового магнитофона или передатчика (для записи или передачи большого массива чисел) и цифрового громкоговорителя (преобразователя последовательности чисел и изменение звукового давления). В реальных цифровых системах записи (передачи) звука пока используют аналоговые электроакустические преобразователи - микрофоны и громкоговорители (динамики), а цифровой обработке подвергают электрические сигналы звуковой частоты.
В общем случае цифровые сигналы представляют собой импульсы прямоугольной формы, которые с помощью логических элементов включают и выключают в электрической схеме различные цепи. В отличие от аналоговой электроники, оперирующей формой и напряжением сигнала, цифровая электроника использует двоичные сигналы - сигналы с дискретными уровнями напряжения, соответствующими «0» и «1».
К амплитуде импульса (уровню напряжения) цифрового сигнала обычно не предъявляется жестких требований при условии, что напряжение надежно перекрывает уровни «0» и «1», которые обычно находятся в диапазоне от 0 до +5 В. Например, за уровень сигнала, соответствующий «1», может быть принято напряжение в интервале от 2,4 до 5,2 В, а за уровень «0» - напряжение в интервале от 0 до 0,8 В.
Для подсчета двоичных сигналов наиболее удобно пользоваться двоичной системой счисления, которая также оперирует только двумя цифрами - 0 и 1. В любой системе счисления, в том числе и двоичной, важное место занимает понятие разряда. Разряд представляет собой степень (число), в которую возводится основание системы счисления. Номера разрядов в числе отсчитываются справа налево, а нумерация начинается с нуля.
Наибольшее число, которое может быть записано в двоичной системе исчисления (впрочем, как и в любой другой), зависит от количества используемых разрядов. Так, при использовании одного разряда можно записывать лишь два числа 0 и 1. Если использовать 2 разряда, можно записывать числа в интервале от 0 до 3. В случае, если используется 8 разрядов, можно оперировать числами от 0 до 255, а при 16 разрядах диапазон возможных значений числа будет иметь границы от 0 до 65 535.
Преобразование аналогового сигнала в цифровой практически в любой системе практической записи звука протекает в несколько этапов. Сначала аналоговый звуковой сигнал падает на аналоговый фильтр, который ограничивает полосу частот сигнала и устраняет помехи и шумы сигнала. Затем из аналогового сигнала с помощью схемы выборки/хранения выделяются отсчеты: с определенной периодичностью осуществляется запоминание мгновенного уровня аналогового сигнала. Далее отсчеты поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует мгновенное значение каждого отсчета в цифровой код, или числа. Полученная последовательность бит цифрового кода, собственно, и является звуковым сигналом в цифровой форме. Таким образом, в результате преобразования непрерывный аналоговый звуковой сигнал превращается в цифровой - дискретный по времени и величине.