Звук у двійковому коді

Звук, який ми чуємо – це поздовжня хвиля у повітрі. Щоб представити звук у двійковому коді, який читає комп'ютер, потрібно зробити деякі перетворення. Спочатку звуковий сигнал за допомогою мікрофона перетворюють на електричний аналог звуку. Електричний аналог виходить у безперервній формі та не придатний для обробки на комп'ютері. Щоб отримати сигнал у двійковому коді, треба пропустити його через аналого-цифровий перетворювач (АЦП). При відтворенні звуку в двійковому коді відбувається зворотне перетворення цифро-аналогове (через ЦАП). АЦП та ЦАП знаходяться у звуковій карті комп'ютера.

Щоб представити звук у двійковому коді безперервний сигнал дискретизується за часом за рівнем. При дискретизації за часом весь період часу Т розбивається на малі інтервали Δt, точками: t₁, t₂...t_n. Вважається, що протягом інтервалу Δt рівень сигналу змінюється незначно і з деяким припущенням постійний. Величину V = 1/Δt називають частотою дискретизації, яка вимірюється в герцах (Гц) – кількість вимірювань протягом секунди.

Дискретизація за рівнем безперервного сигналу називається квантуванням і виконується так: область зміни сигналу від найменшого значення X_min до найбільшого значення X_max розбивається на N рівних квантів, проміжків величиною:

точками Х₁, Х₂, ... Х_n. Х_i = Х_min + ΔХ*(i-1).

Кожен квант пов'язують із його порядковим номером, тобто цілим числом, що легко переводиться в двійкову систему числення. Якщо сигнал після дискретизації за часом потрапляє у проміжок X_і-1 ≤ X ≤ X_і, то йому у відповідність ставиться код і.

Але на практиці при перетворенні звуку на двійковий код, виникають два питання: як часто за часом і з якою точністю треба вимірювати сигнал, щоб отримати при відтворенні звук задовільного якості.

На перше питання відповідає теорема Найквіста, яка стверджує, що, якщо сигнал оцифрований з частотою V, то вища "чутна" частота буде не більше V/2. Друге питання вирішується підбором числа рівнів так, щоб звук був при відсутності високого рівня шуму. У цьому число рівнів береться як 2ⁿ, де n = 8 чи n = 16, тобто кожен вимір займає один або два байти.

Для аудіодиска високу якість відтворення звуку в двійковому коді можна отримати при наступних параметрах оцифровки: частота дискретизації – 44,1 КГц, квантування – 16 біт, тобто ΔХ = (Х_max – Х_min)/2¹⁶. Таким чином, 1 с стереозвуку займе 2 байт * 44100 байт/с * 2 кан * 1 с = 176400 байт дискової пам'яті. Якість відтворення звуку у двійковому коді при цьому виходить дуже високою.