Какое компьютерное устройство выполняет процесс сэмплирования звука

Обновлено: 14.05.2024

Любое периферийное устройство, которое принимает данные с компьютера и распечатывает, проецирует или воспроизводит их, называется устройством вывода. На выходе может быть аудио, видео, печатная копия – печатная бумага и т.д. Устройства вывода преобразуют компьютерные данные в понятную человеку форму.
Мы вводим данные в компьютер с помощью устройств ввода, а компьютер выполняет операции с данными и отображает вывод пользователю с помощью устройства вывода.

Устройства вывода

1. Монитор

Основным устройством вывода на компьютере является монитор, часто называемый устройством визуального отображения (VDU). Он отображает обработанные данные, такие как текст, изображения, видео, аудио и т. д. Он создает изображения, располагая микроскопические точки в виде прямоугольного шаблона, известного как пиксели. Резкость изображения определяется количеством пикселей. Существует два типа экранов просмотра монитора:

(1) Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Этот тип монитора основан на электронно-лучевой трубке. В котором электронно-лучевая трубка генерирует пучок электронов, с помощью электронных пушек они ударяют по внутренней поверхности фосфоресцентного экрана для создания изображения. ЭЛТ-монитор содержит миллионы доз фосфора трех разных цветов: красного, синего и зеленого. Эти точки светятся при попадании на них луча и создают изображение. Основными частями ЭЛТ-монитора являются электронная пушка, флуоресцентный экран, стеклянная оболочка, блок отклоняющей пластины и основание.

Характеристики монитора:

Пиксели разрешения. Пиксели — это наименьший элемент любого изображения.
Размер: размер монитора. Диагональ экрана настольного компьютера обычно составляет от 14 до 25 дюймов.
Частота обновления: общее количество раз в секунду, когда изображение на дисплее перерисовывается или обновляется.

(2) Отображение на плоскопанельном мониторе с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ). Плоскопанельный дисплей — это тип видеодисплея с меньшим объемом, весом и энергопотреблением, чем у ЭЛТ. Их можно надеть на запястье или повесить на стену. В калькуляторах, видеоиграх, мониторах, портативных компьютерах и графических дисплеях используются плоские дисплеи.

(3) Плазменный монитор: это также плоский дисплей, но он основан на технологии плазменного дисплея. В плазменном мониторе между двумя стеклянными поверхностями находится небольшая ячейка, содержащая раствор инертных газов и ртути. Таким образом, при подаче электроэнергии на газ, присутствующий в клетке, превращается в плазму и производит ультрафиолетовый свет, создающий изображение. Это намного лучше, чем ЖК-монитор. Разрешение этого монитора также высокое — 1920 x 1920. У него хорошая контрастность, высокая частота обновления и т. д.

2. Принтер

Принтеры — это устройства вывода информации, которые позволяют распечатывать данные на бумаге. Или, другими словами, это устройство вывода, которое создает твердую копию обработанных данных или информации. Принтеры делятся на две категории:

Матричный принтер
Принтер с ромашкой
Построчный принтер
Цепной принтер

Чрезвычайно низкая стоимость расходных материалов.
Довольно шумно
Он идеально подходит для крупномасштабной печати благодаря невысокой стоимости.
Для формирования изображения необходим физический контакт с бумагой.

Быстрее
Они не производят много шума.
Превосходное качество
Поддерживает широкий спектр шрифтов и размеров символов.

3. Плоттер

Плоттер – это устройство, которое печатает высококачественную графику в различных цветовых форматах. Он работает аналогично принтеру, но имеет более продвинутые функции. Используется для печати больших карт, архитектурных чертежей, широкоформатной печати и создания картинок, 3D открыток, рекламных вывесок, схем и различных конструкций внутреннего устройства строительных машин, а также для создания картинок, 3D открыток, рекламных вывесок , схемы и различные схемы внутреннего устройства строительных машин.

Отпечатки большого размера можно делать с помощью плоттеров.
Это медленно и дорого.

4. Проектор

Проектор — это устройство, которое позволяет пользователям проецировать изображение на большую площадь, например на экран или стену. Его можно использовать для проецирования вывода компьютера и других устройств на экран. Он увеличивает тексты, фотографии и фильмы с помощью света и линз. В результате это отличное устройство вывода для проведения презентаций или обучения больших групп людей.

Они легкие, и один человек может легко достать их из коробки, соединить и повесить изображение на стену.
Проектор может быть наиболее экономичным вариантом для просмотра видео на большом экране в вашем доме.
Небольшой проектор, установленный на задней полке, книжном шкафу или на потолке, не занимает места на полу. Его едва видно, когда он не используется.

5. Спикеры

Динамики подключены к компьютерам для вывода звука. Для работы колонок необходимы звуковые карты. От простых устройств вывода с двумя динамиками до многоканальных комплектов с объемным звуком — динамики бывают самых разных форм и размеров. Они получают аудиовход от звуковой карты компьютера и выводят звуковые волны в качестве аудиовыхода.

Динамики доступны в широком диапазоне качества и цены.
Небольшие пластиковые компьютерные динамики с низким качеством звука часто входят в комплект компьютерных систем.

6. Наушники

Чтобы слышать звук, используйте наушники с компьютером, ноутбуком или смартфоном. Это позволяет вам слышать звук, не причиняя неудобств другим. Переводить электронные сигналы в звуки, не причиняя неудобств окружающим. Они могут быть проводными или беспроводными и могут быть подключены к компьютерам, ноутбукам, мобильным телефонам и т. д. Они связаны с устройствами через Bluetooth.

Стереотелефоны и гарнитуры — это другие их названия.
Наушники или наушники-вкладыши — это названия внутриканальных вариантов.
Термин "гарнитура" означает комбинацию наушников и микрофона, которая используется для двусторонней связи, например при использовании телефона.

7. Звуковая карта

Звуковые карты – это компьютерные устройства вывода, которые вставляются в компьютер. Звуковая карта, внешняя или внутренняя, необходима для воспроизведения звука на любом компьютере (встроенная). Внешняя звуковая карта позволяет улучшить общую звукогенерацию и необходима для записи широкого и четкого звука, а также звука без шумов и помех.

Чтобы слушать динамики или наушники, играть в игры, смотреть фильмы, слушать музыку или проводить аудио- и видеоконференции, мы используем внутреннюю звуковую карту.
Частота — это параметр звуковой карты, представляющий количество сигналов, обрабатываемых картой в единицу времени. Частота выражается в герцах. Частота большинства звуковых карт составляет 96 или 192 кГц.
Синтезаторы и различные электронные музыкальные инструменты, такие как барабаны и клавишные, можно подключить к компьютеру с помощью звуковой карты со стандартным разъемом для цифрового интерфейса музыкальных инструментов (MIDI).

8. Видеокарта

Карта расширения, с помощью которой компьютер может передавать графические данные на видеоустройство, такое как телевизор, проектор или монитор. Он обрабатывает фотографии и видео, а также другие функции, которые обычно выполняет центральный процессор. Поскольку у них хорошая вычислительная мощность и видеопамять, геймеры используют видеокарты.

Для высокопроизводительных видеокарт требуются радиаторы, поскольку они выделяют много тепла.
Также называется видеокартой и требует установки программного обеспечения в дополнение к оборудованию.
При работе с огромными файлами видеокарты выделяют значительный объем памяти только для видео, что высвобождает ресурсы ЦП и повышает эффективность работы системы.

9. Синтезатор речи

Синтезатор речи – это компьютеризированное устройство, которое принимает данные, интерпретирует их и генерирует слова, которые можно услышать. Это может быть компьютерная карта, коробка, соединенная кабелем, или программное обеспечение, работающее со звуковой картой компьютера.

Любой текст, предварительно определенный ввод, может быть переведен в слышимую речь.
Для людей, которые не могут говорить или имеют слабое зрение, он может обеспечить цифровое вербальное общение.
Он принимает данные, интерпретирует их и генерирует звук.

10. GPS

Глобальная система позиционирования (GPS) – это радиосистема спутниковой навигации, которая использует радиосигналы для точного определения местоположения. Отправитель отправляет радиосигнал на спутники, которые собирают данные, такие как время, местоположение, скорость и другие переменные, и передают их на принимающий компьютер для анализа. Поскольку эти обработанные данные могут быть оценены для получения информации, они рассматриваются как устройство вывода.

Спутники GPS постоянно сообщают о своем местоположении и времени.
Солнечные бури, сильный штормовой покров и другие факторы ухудшают работу оборудования GPS.
Глобальная система позиционирования (GPS) основана на математической идее "трилатерации".
GPS работает независимо от приема телефонной связи или Интернета и не требует от пользователя отправки каких-либо данных, однако для повышения точности можно использовать обе технологии.

Примеры вопросов

Вопрос 1. Составьте список недостатков ЭЛТ-монитора.

Решение:

Чрезмерное потребление энергии
У них большая спинка, и они занимают много места на столе.
Он не подходит для использования в условиях очень яркого освещения, поскольку он менее яркий, чем ЖК-дисплей.
Они огромные, неуклюжие и массивные.

Вопрос 2. ________ – это устройство, которое выдает нам печатную копию в качестве вывода.

Решение:

Вопрос 3. Дайте определение печатной и электронной копии.

Решение:

Термин «печатная копия» относится к тому, что напечатано на бумаге или любом печатном материале. Нераспечатанная электронная копия данных, которая сохраняется в цифровой форме в системе, называется электронной копией.

Вопрос 4. ____________ — тип видеодисплея с меньшим объемом, весом и энергопотреблением, чем у ЭЛТ.

Решение:

Вопрос 5. Назовите устройство, которое позволяет пользователям проецировать свой вывод на большую площадь, например на экран или стену.

Звуковая карта позволяет компьютеру создавать и записывать настоящий высококачественный звук. См. другие изображения компьютерного оборудования.

До изобретения звуковой карты ПК мог издавать только один звук — гудок. Хотя компьютер мог изменить частоту и продолжительность звукового сигнала, он не мог изменить громкость или создать другие звуки.

Сначала звуковой сигнал действовал в основном как сигнал или предупреждение. Позже разработчики создали музыку для самых ранних компьютерных игр, используя гудки разной высоты и длины. Эта музыка не была особенно реалистичной — вы можете услышать образцы некоторых из этих саундтреков в Crossfire Designs.

К счастью, звуковые возможности компьютеров значительно расширились в 1980-х годах, когда несколько производителей представили дополнительные карты, предназначенные для управления звуком. Теперь компьютер со звуковой картой может делать гораздо больше, чем просто подавать звуковой сигнал. Он может воспроизводить 3-D звук для игр или воспроизводить объемный звук для DVD. Он также может захватывать и записывать звук с внешних источников.

В этой статье вы узнаете, как звуковая карта позволяет компьютеру создавать и записывать настоящий высококачественный звук.

Аналоговый и цифровой

Звуки и компьютерные данные принципиально разные. Звуки аналоговые — они состоят из волн, проходящих через материю. Люди слышат звуки, когда эти волны физически вибрируют их барабанные перепонки. Однако компьютеры общаются в цифровом виде, используя электрические импульсы, которые представляют 0 и 1 с. Как и графическая карта, звуковая карта преобразует цифровую информацию компьютера в аналоговую информацию внешнего мира.

Звук состоит из волн, проходящих через среду, например воздух или воду.

Самая простая звуковая карта представляет собой печатную плату, на которой используются четыре компонента для преобразования аналоговой и цифровой информации:

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)
Интерфейс ISA или PCI для подключения карты к материнской плате
Входные и выходные разъемы для микрофона и динамиков.

Вместо отдельных АЦП и ЦАП в некоторых звуковых картах используется чип кодера/декодера, также называемый кодеком, который выполняет обе функции.

В следующем разделе мы рассмотрим аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования, которые происходят на звуковой карте.

Одним из новейших достижений в технологии звуковых карт является , или Xtreme Fidelity, от производителя SoundBlaster Creative. Особенности:

"Активная модальная архитектура", которая дает людям различные варианты звука для игр, отдыха или создания музыки.
Цифровой сигнальный процессор (DSP) с 51 миллионом транзисторов
Несколько обработчиков, каждый из которых выполняет определенные звуковые операции.
24-битный Crystallizer, устраняющий некоторые потери качества звука, характерные для 16-битной записи компакт-дисков.

ExtremeTech предлагает обширную статью с подробным описанием возможностей .

Представьте, что вы используете компьютер для записи собственного разговора. Во-первых, вы говорите в микрофон, который вы подключили к звуковой карте. АЦП преобразует аналоговые волны вашего голоса в цифровые данные, понятные компьютеру. Для этого он сэмплирует или оцифровывает звук, проводя точные измерения волны через частые промежутки времени.

Количество измерений в секунду, называемое частотой дискретизации, измеряется в кГц.Чем выше частота дискретизации карты, тем точнее реконструированная волна.

Если бы вы воспроизвели запись через динамики, ЦАП выполнил бы те же основные действия в обратном порядке. Благодаря точным измерениям и высокой частоте дискретизации восстановленный аналоговый сигнал может быть почти идентичен исходной звуковой волне.

Однако даже высокая частота дискретизации приводит к некоторому снижению качества звука. Физический процесс перемещения звука по проводам также может вызывать искажения. Производители используют два показателя для описания снижения качества звука:

Общее гармоническое искажение (THD), выраженное в процентах.
Отношение сигнал/шум (SNR), измеряется в децибелах.

И для THD, и для SNR меньшие значения указывают на лучшее качество. Некоторые карты также поддерживают цифровой ввод, что позволяет людям хранить цифровые записи без преобразования их в аналоговый формат.

Далее мы рассмотрим другие компоненты, обычно встречающиеся на звуковых картах, и то, что они делают.

Компьютеры и звуковые карты могут использовать несколько методов для создания звуков. Одним из них является синтез с частотной модуляцией (FM), при котором компьютер накладывает несколько звуковых волн, чтобы создать волны более сложной формы. Другим является синтез волновой таблицы, в котором используются сэмплы реальных инструментов для воспроизведения музыкальных звуков. Синтез волновой таблицы часто использует несколько сэмплов одного и того же инструмента, играемых с разной высотой звука, чтобы обеспечить более реалистичное звучание. В целом, синтез волновой таблицы обеспечивает более точное воспроизведение звука, чем синтез FM.

Другие компоненты звуковой карты

В дополнение к основным компонентам, необходимым для обработки звука, многие звуковые карты включают в себя дополнительное оборудование или соединения ввода/вывода, в том числе:

Цифровой сигнальный процессор (DSP). Подобно графическому процессору (GPU), DSP представляет собой специализированный микропроцессор. Он снимает часть нагрузки с процессора компьютера, выполняя вычисления для аналогового и цифрового преобразования. DSP могут обрабатывать несколько звуков или каналов одновременно. Звуковые карты, не имеющие собственного DSP, используют для обработки ЦП. Память: Как и графическая карта, звуковая карта может использовать собственную память для более быстрой обработки данных. Входные и выходные соединения: большинство звуковых карт имеют, как минимум, соединения для микрофона и динамиков. Некоторые включают в себя так много входных и выходных соединений, что у них есть коммутационная коробка, которая часто монтируется в один из отсеков для дисков, чтобы разместить их. Эти соединения включают:

Подключение нескольких динамиков для трехмерного и объемного звука.
Цифровой интерфейс Sony/Philips (S/PDIF), протокол передачи файлов для аудиоданных. Он использует коаксиальные или оптические соединения для ввода и вывода звуковой карты.
Цифровой интерфейс музыкальных инструментов (MIDI), используемый для подключения синтезаторов или других электронных инструментов к их компьютерам.
Подключения FireWire и USB, которые подключают цифровые аудио- или видеомагнитофоны к звуковой карте.

Дизайнеры игр используют трехмерный звук для создания динамичного динамичного звука, который меняется в зависимости от положения игрока в игре. Помимо использования звука с разных направлений, эта технология позволяет реалистично воспроизводить звук, проходящий вокруг или сквозь препятствия. Объемный звук также использует звук с нескольких направлений, но звук не меняется в зависимости от действий слушателя. Объемный звук часто используется в системах домашнего кинотеатра.

Как и графическая карта, звуковая карта использует программное обеспечение, помогающее ей взаимодействовать с приложениями и остальной частью компьютера. Это программное обеспечение включает драйверы карты, которые позволяют карте обмениваться данными с операционной системой. Он также включает в себя интерфейсы прикладных программ (API), которые представляют собой наборы правил или стандартов, упрощающих взаимодействие программного обеспечения с картой. К наиболее распространенным API относятся:

Майкрософт: DirectSound
Креатив: расширения для звуков окружающей среды (EAX) и Open AL
Сенсаура: MacroFX
QSound Labs: QSo
Далее мы рассмотрим встроенную материнскую плату и варианты внешнего управления звуком.

Как и графическая карта, звуковая карта использует программное обеспечение, помогающее ей взаимодействовать с приложениями и остальной частью компьютера. Это программное обеспечение включает драйверы карты, которые позволяют карте обмениваться данными с операционной системой.Он также включает в себя интерфейсы прикладных программ (API), которые представляют собой наборы правил или стандартов, упрощающих взаимодействие программного обеспечения с картой. К наиболее распространенным API относятся:

Подпишитесь на нашу рассылку и получайте учебные пособия и советы по электронной почте.

Я помню, как мне не терпелось заняться созданием музыки. Возможности аранжировки были безграничны, и я мог научиться микшировать музыку так, чтобы она звучала так, как я слышала. К сожалению, в хаосе начала производства я не изучил основы того, как компьютер на самом деле обрабатывает звук, поэтому вся концепция создания музыки на ноутбуке казалась немного абстрактной.

Даже воспроизведение моего первого трека сбивало с толку. Что делает каждый из вариантов? Откуда мне было знать, что будет звучать лучше всего?

В этой статье мы рассмотрим некоторые основные аспекты цифрового звука и то, как они влияют на производственный процесс. Сегодня мы сосредоточимся на частоте дискретизации аудио и разрядности аудио, а также на нескольких темах, связанных с ними. Немного теории и немного математики, но мы надеемся, что это приоткроет часть тайны того, как работает цифровое аудио.

Что такое цифровое аудио?

Цифровой звук — это система, в которой мы храним, воссоздаем и обрабатываем аудиоинформацию в компьютерной системе. Некоторые характеристики аналоговой звуковой волны, такие как частота и амплитуда, преобразуются в данные, которые может прочитать компьютерное программное обеспечение. Это позволяет нам управлять, редактировать и упорядочивать аудио в программном контексте.

Что такое звуковой образец?

Звуковая волна преобразуется в данные с помощью серии снимков или выборок. Образец берется в определенное время в звуковой волне, записывая амплитуду. Затем эта информация преобразуется в удобоваримые двоичные данные.

Система выполняет тысячи измерений в секунду. Если мы сможем очень быстро выполнить множество измерений с достаточным количеством возможных значений амплитуды, мы сможем эффективно использовать эти снимки для восстановления разрешения и сложности аналоговой волны.

Что такое частота дискретизации звука?

Система выполняет эти измерения со скоростью, которая называется частотой дискретизации аудио и измеряется в килогерцах. Частота дискретизации аудио определяет диапазон частот, захваченных в цифровом аудио. В большинстве DAW вы найдете регулируемую частоту дискретизации в настройках звука. Это управляет частотой дискретизации звука в вашем проекте.

Параметры, которые вы видите в среднем DAW — 44,1 кГц, 48 кГц — могут показаться немного случайными, но это не так! Для демонстрации воспользуемся синусоидой:

Чтобы измерить частоту этой синусоиды, нам нужно обнаружить и определить один период. Один полный цикл любой волны содержит положительную и отрицательную стадии. Чтобы узнать длину этого цикла — длину волны, которая приводит нас к частоте волны, — нам нужно обнаружить обе эти две стадии. Поэтому нам нужно измерять волну как минимум два раза за полный период, чтобы точно зафиксировать ее частоту.

Это означает, что мы можем захватывать и реконструировать частоту исходной синусоидальной волны с частотой дискретизации звука как минимум в два раза больше ее частоты, которая называется скоростью Найквиста. И наоборот, система может захватывать и воссоздавать частоты до половины частоты дискретизации звука, предел, называемый частотой Найквиста.

Сигнал выше частоты Найквиста не записывается должным образом аудио-цифровыми преобразователями (АЦП), отражаясь обратно на частоте Найквиста и создавая искусственные частоты в процессе, называемом наложением частот.

Чтобы предотвратить наложение частот, преобразователям аудио в цифру часто предшествуют фильтры нижних частот, которые устраняют частоты выше частоты Найквиста до того, как звук достигнет преобразователя. Это предотвратит появление наложения нежелательных сверхвысоких частот в исходном звуке. Ранние фильтры могли испортить звук, но эта проблема сводится к минимуму по мере внедрения более совершенных технологий.

Хотите поэкспериментировать с концепциями аудио в DAW?

Получите свою копию Music Production Suite 4.1 или начните бесплатную пробную версию Music Production Suite Pro, чтобы получить стандартные плагины для микширования и мастеринга, включая Neutron, Ozone и RX.

Почему стандартная частота дискретизации звука составляет 44,1 кГц?

Самая распространенная частота дискретизации звука – 44,1 кГц, или 44 100 выборок в секунду. Это стандарт для большинства потребительских аудиоматериалов, используемый для таких форматов, как компакт-диски.

Это не произвольное число.Люди могут слышать частоты от 20 Гц до 20 кГц. Большинство людей теряют способность слышать верхние частоты в течение жизни и могут слышать только частоты до 15–18 кГц. Однако это правило «20 к 20» по-прежнему считается стандартным диапазоном для всего, что мы могли услышать.

Компьютер должен уметь воспроизводить волны с частотой до 20 кГц, чтобы сохранить все, что мы слышим. Следовательно, частота дискретизации 40 кГц технически должна сработать, верно?

Это верно, но вам нужен довольно мощный — и в то же время дорогой — фильтр нижних частот, чтобы предотвратить слышимое наложение. Частота дискретизации 44,1 кГц технически позволяет записывать звук на частотах до 22,05 кГц. Поместив частоту Найквиста за пределы нашего слышимого диапазона, мы можем использовать более умеренные фильтры для устранения наложения спектров без особого слышимого эффекта.

Другие частоты дискретизации аудио: 48 кГц, 88,2 кГц, 96 кГц и т. д.

Хотя 44,1 кГц является приемлемой частотой дискретизации для потребительского аудио, в некоторых случаях используются более высокие частоты дискретизации. Некоторые из них были представлены на заре цифрового аудио, когда мощные фильтры сглаживания были дорогими. Перемещение частоты Найквиста еще выше позволяет нам размещать фильтр все дальше и дальше от человеческого слуха и, следовательно, еще меньше влияет на звук.

48 кГц – еще одна распространенная частота дискретизации звука. Более высокая частота дискретизации технически приводит к большему количеству измерений в секунду и более точному воссозданию исходного звука, поэтому частота 48 кГц часто используется в контекстах «профессионального аудио» больше, чем в музыкальных контекстах. Например, это стандартная частота дискретизации аудио для видео. Эта частота дискретизации сдвигает частоту Найквиста примерно до 24 кГц, что дает дополнительное пространство для буфера до того, как потребуется фильтрация.

Некоторые инженеры предпочитают работать с еще более высокой частотой дискретизации звука, которая, как правило, кратна 44,1 кГц или 48 кГц. Частоты дискретизации 88,2 кГц, 96 кГц, 176,4 кГц и 192 кГц приводят к более высоким частотам Найквиста, что означает возможность записи и воссоздания сверхзвуковых частот. Фильтры нижних частот оказывают меньшее влияние на звук и увеличивают количество выборок в секунду, что приводит к воссозданию исходного звука в более высоком разрешении.

Вы слышите разницу между частотами дискретизации звука?

Некоторые опытные инженеры могут услышать разницу между частотами дискретизации. Однако по мере совершенствования технологий фильтрации и аналого-цифрового преобразования становится все труднее услышать эти различия.

Чем выше частота дискретизации звука, тем лучше?

Теоретически неплохо работать с более высокой частотой дискретизации звука, например 176,4 кГц или 192 кГц. Файлы будут больше, но было бы неплохо увеличить качество звука до финального отскока. Однако в конце концов звук, скорее всего, будет преобразован в 44,1 кГц или 48 кГц. Математически гораздо проще преобразовать 88,2 в 44,1 и 96 в 48, поэтому лучше придерживаться одного формата для всего проекта. Однако общепринятой практикой является работа с частотой 44,1 кГц или 48 кГц.

Если бы в системе была установлена частота дискретизации 48 кГц, а мы использовали аудиофайл с частотой 44,1 кГц, система считывала бы сэмплы быстрее, чем должна. В результате звук будет звучать ускоренно и немного выше. Обратное происходит, если частота дискретизации системы находится на шкале 44,1 кГц, а аудиофайлы - на шкале 48 кГц; звук стал медленнее и чуть ниже.

Сверхвысокие частоты дискретизации звука также имеют интересное творческое применение. Если вы когда-либо понижали высоту звука стандартного аудиофайла с частотой 44,1 кГц, вы, вероятно, замечали, что высокие частоты становятся несколько пустыми. Частоты выше 22,05 кГц были отфильтрованы перед преобразованием, поэтому в них нет частотного содержимого для понижения тона, что приводит к зияющей дыре в высоких частотах.

Однако, если этот звук был записан, например, с частотой 192 кГц, в исходном звуке будут записаны частоты до 96 кГц. Это, очевидно, выходит за рамки того, что люди могут слышать, но при понижении звука эти неслышимые частоты становятся слышимыми. В результате вы можете значительно понизить высоту тона записи, сохранив при этом высокочастотный контент. Для получения дополнительной информации о частоте дискретизации аудио обязательно ознакомьтесь с видео ниже.

Что такое битовая глубина звука?

Аналоговый звук представляет собой непрерывную волну с практически бесконечным числом возможных значений амплитуды. Однако для измерения этой волны в цифровом аудио нам необходимо определять амплитуду волны как конечное значение каждый раз, когда мы ее сэмплируем.

Разрядность звука определяет количество возможных значений амплитуды, которые мы можем записать для каждого семпла. Наиболее распространенные разрядности аудио — 16, 24 и 32 бита. Каждый из них представляет собой двоичный термин, представляющий ряд возможных значений. Системы с более высокой битовой глубиной звука могут выражать больше возможных значений:

При более высокой битовой глубине звука и, следовательно, более высоком разрешении нам доступно больше значений амплитуды для записи. В результате точная амплитуда непрерывной аналоговой волны приближается к доступному значению при дискретизации. Таким образом, цифровая аппроксимация амплитуды становится ближе к исходной аналоговой волне жидкости.

16-разрядный: 65 536 ампер. значения
24-разрядная версия: 16 777 217 ампер. значения
32-разрядная версия: 4 284 967 296 ампер. значения

Увеличение разрядности звука вместе с увеличением частоты дискретизации звука создает больше точек для восстановления аналоговой волны.

Однако плавная аналоговая волна не всегда идеально совпадает с возможным значением независимо от разрешения. В результате последний бит данных, обозначающий амплитуду, округляется до 0 или 1 в процессе, называемом квантование. Это означает, что в сигнале присутствует существенно рандомизированная часть сигнала.

В цифровом аудио мы слышим эту рандомизацию как низкий белый шум, который мы называем минимальным уровнем шума. Подобно механическому шуму, возникающему в аналоговом контексте, или фоновому шуму в живом акустическом окружении, цифровая ошибка квантования вносит шум в наш звук.

Гармонические соотношения между частотой дискретизации и звуком, а также битовой глубиной могут вызывать определенные закономерности при квантовании. Это известно как коррелированный шум, который мы слышим как резонансы в шумовом пороге на определенных частотах. Здесь наш минимальный уровень шума на самом деле выше, принимая во внимание потенциальные значения амплитуды записанного сигнала.

Однако мы можем выполнить искусственную рандомизацию, чтобы избежать подобных паттернов. В процессе, называемом дизеринг, мы можем случайным образом округлить этот последний бит. Паттерны не создаются, создавая более рандомизированный «некоррелированный шум», который оставляет больше потенциальных значений амплитуды.

Амплитуда минимального уровня шума становится нижней частью нашего возможного динамического диапазона. С другой стороны спектра, цифровая система может искажать, если амплитуда слишком высока, когда сигнал превышает максимальное значение, которое может создать двоичная система. Этот уровень обозначается как 0 dBFS.

В конце концов, наша битовая глубина звука определяет количество возможных значений амплитуды между минимальным шумом и 0 дБ полной шкалы.

Вы слышите разницу между битовой глубиной звука?

Возможно, вы думаете: "Могут ли человеческие уши действительно отличить уровни амплитуды 65 536 и 4 294 967 296?"

Это правильный вопрос. Уровень шума даже в 16-битной системе невероятно низок. Если вам не нужен эффективный динамический диапазон более 96 дБ, 16 бит подойдет для финальной обработки проекта.

Однако при работе над проектом неплохо было бы работать с более высокой битовой глубиной звука. Поскольку уровень шума падает, у вас, по сути, появляется больше места для искажения — также известного как запас по уровню. Наличие этого дополнительного буферного пространства перед искажением является хорошей защитой от сбоев во время работы и обеспечивает большую гибкость.

Для получения дополнительной информации о битовой глубине звука обязательно ознакомьтесь с видео ниже.

Выводы

Получив более четкое представление о частоте дискретизации и разрядности звука, становится ясно, насколько нам повезло жить в наш век аудиотехники. Цифровой звук дает нам множество возможностей для управления звуком, многие из которых недоступны в аналоговых системах.

Кроме того, совершенствование технологий с годами помогло устранить многие проблемы, возникшие в цифровой системе. Технологии продолжают развиваться, благодаря чему цифровое аудио становится полностью неотличимым от аналогового.

Звуковое устройство — это электронное устройство, обычно являющееся частью персонального компьютера, отвечающее за все функции, связанные со звуком. Звуковые устройства обычно могут записывать и воспроизводить звуки. Когда звуковое устройство может выполнять запись и воспроизведение звука одновременно, оно называется полнодуплексным. Устройства ввода (например, микрофон) и устройства вывода (например, громкоговоритель) подключаются непосредственно к звуковому устройству. Эти устройства работают на аналоговых сигналах. В результате этого звуковое устройство также должно быть посредником между аналоговым устройством и цифровой компьютерной системой. Он преобразует исходящий сигнал из цифровой формы в аналоговую, а входящий аналоговый сигнал преобразует в цифровую форму, чтобы его можно было сохранить в памяти компьютера. Звуковые устройства ПК могут работать в различных режимах (стили кодирования, частоты дискретизации и т.д.). Они управляются операционной системой (имеют назначенный порт ввода-вывода и номер прерывания) и обычно взаимодействуют с использованием прямого доступа к памяти.

Почти все современные операционные системы предоставляют механизмы управления звуковыми устройствами через программный интерфейс высокого уровня. Никаких знаний о внутренностях звуковой карты (устройства) не требуется. Драйвер ОС выполняет все низкоуровневые задачи за программиста.Например, мультимедийные Unix, такие как Sun-OS или Linux, поддерживают механизмы открытия-чтения-записи на звуковых устройствах, которые являются частью Unix API ввода-вывода [12] .

Существует множество звуковых библиотек, разработанных для Microsoft Windows. Windows 95 и 98 кажутся самыми популярными мультимедийными платформами. Microsoft разработала как минимум три широко используемых звуковых интерфейса.

Преимущества использования цифрового звука хорошо известны: его можно хранить, обрабатывать, дублировать и передавать простым способом без потери качества. Как и любые другие компьютерные данные, они могут передаваться как обычные данные в пакетных компьютерных сетях без каких-либо дополнительных возможностей.

Проще говоря, кодирование — это способ преобразования сигнала из одной формы в другую. Декодирование является преобразованием, обратным кодированию, т. е. закодированная форма сигнала преобразуется в исходный (или аналогичный) исходный сигнал. Элементы, которые кодируют или декодируют сигналы (аппаратно или программно), называются соответственно кодерами или декодерами. Кодеки — это универсальные элементы, которые выполняют как кодирование, так и декодирование. Аудиокодеки — это элементы, которые работают с аудиосигналом. Согласно приведенному выше определению, преобразование электрического сигнала в цифровой звук также является кодированием, но в этой главе термин «кодирование» относится к преобразованию из одной цифровой формы в другую.

Существует много разных причин для использования аудиокодеков: сделать сигнал менее чувствительным к помехам, разрешить транспортировку в различных сетях, зашифровать сигнал и т. д. Но самая важная причина — экономия полосы пропускания. При записи с частотой дискретизации 8000 и 16-битным квантованием генерируется битовый поток со скоростью 128 кбит/с. Это требует довольно большой пропускной способности даже для самой обычной 10 Мбит/с LAN. Кодеки, которые уменьшают число битов в секунду, работают как программы сжатия. Они получают блок выборок (N байтов) и преобразуют его в M-байтовый ( M меньше N ) блок. Большинство аудиокодеков являются кодеками с потерями, поскольку человеческое ухо не может обнаружить незначительные различия между подлинным и декодированным сигналом.

Кодеки, используемые в мультимедийных терминалах, должны быть стандартизированы, чтобы иметь возможность обмениваться данными с другими терминалами, подготовленными другим производителем. Существует множество стандартов, определенных рекомендациями ITU-T и других международных организаций.

Дополнительную информацию о кодировании звука см. в [1], [2].

Пакетные сети становятся все более популярными в современных телекоммуникациях. Идея пакетной сети заключается в том, что конечные точки не связаны напрямую (как, например, в случае телефонных сетей). Конечные точки отправляют свои данные в так называемых пакетах (содержащих адрес получателя в поле заголовка и небольшое количество данных). Каждый пакет передается отдельно по среде передачи. Это достаточно экономичное решение (не резервируется весь трейл для целей одного конкретного соединения), но оно также вызывает некоторые проблемы: пакеты могут храниться узлами сети (маршрутизаторами) слишком долго. Иногда пакеты могут быть потеряны (например, из-за переполнения буферов маршрутизатора). Это все результат того, что большинство пакетных сетей (особенно IP-сети) были разработаны для целей передачи данных. Обычно для передачи данных не требуются механизмы реального времени, больший упор делается на надежность среды передачи и протоколов. Проблема потерянных пакетов была решена путем разработки надежных протоколов (ценой задержки). Но проблему задержки нельзя решить простым способом. В некоторых типах сетей in вообще не может быть решен.

Аудио в пакетных сетях передается пакетами, как обычные данные. Кадр (некоторое время) сохраняется в буфере, а затем передается в сеть. Получатель потока аудиопакетов должен быть готов к этим двум событиям:

Пакет может быть потерян; в этом случае приемник должен выполнить некоторые процедуры для подачи непрерывного звукового сигнала.

Пакет может задерживаться (джиттер); для предотвращения этого на стороне приемника готовятся специальные буферы. Если задержка слишком большая, этих буферов тоже может не хватить.

Читайте также: