Что такое частота дискретизации звука и на что она влияет
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
ЗВУКОМАНИЯ
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
Частота дискретизации что это?
Частота дискретизации что это?
Частота дискретизации что это?
Результатом оцифровки являются так называемые выборки — дискретные оцифрованные «выборки» исходного аналогового сигнала.
ЦАП на 9038Pro Audiophile V2
Исходные аналоговые сигналы могут быть восстановлены из них посредством цифро-аналогового преобразования (ЦАП).
Эта реконструкция подвержена влиянию частоты дискретизации (частоты дискретизации) и «разрешающей способности» выборок, также называемой битовой глубиной.
ЦАП Singxer SDA-2
Частота дискретизации аудиосигналов
Однако, частота дискретизации аудиосигналов, то есть частота отсчетов в единицу времени (обычно дается в секунду), сопоставима с частотой кадров пленочной камеры в секунду.
Количество пикселей для каждого отдельного изображения, в свою очередь, можно приравнять к глубине цвета: фильмы HD «выглядят лучше», чем фильмы Super 8. Чем больше количество пикселей в датчике и чем чаще делается снимок, тем точнее «записываемый свет», пейзаж, который можно воспроизвести в цифровом виде.
ЦАП на 9038Pro Audiophile V2 купить
Частота дискретизации и теорема Найквиста
Хорошо известная теорема Найквиста утверждает, что аудиосигнал должен быть дискретизирован равномерно, по крайней мере, с удвоенной частотой, чтобы иметь возможность адекватно восстановить исходный сигнал. На практике ограничение полосы пропускания избавляет нас от звука, который, по сути, способен сознательно воспринимать только частоты в диапазоне максимум от 20 Гц до 20 000 Гц, при этом на практике частота дискретизации 40 кГц должна быть достаточной.
ЦАП +усилитель для наушников
Частота / частота дискретизации 44,1 кГц
Данная частота дискретизации обычная для качества компакт-дисков, пришла из 1970-х годов или из «Процесса импульсной кодовой модуляции» (PCM) Sony для хранения цифровых сигналов на видеокассетах. На всех частотах выше 22,05 кГц (частота Найквиста = половине частоты дискретизации) происходит наложение спектров, если перед записью не используются соответствующие фильтры.
ЦАП Audiophile V2 на 2 х AK4497EQ дисплей
Позднее Sony совместно с Philips разработала стандарт Red Book для аудио компакт-дисков. Дополнительные 4000 Гц, которые немного шире, чем вдвое превышают частоту, которую может слышать человек, происходят от простейших возможных фильтров, которые предназначены для удаления так называемых эффектов наложения спектров из слышимого диапазона реконструированного аналогового сигнала во время оцифровки — Чем шире этот «коридор», тем проще технология фильтрации.
частота дискретизации
Из этого получилось ровно 44,1 кГц, потому что преобразователи частоты дискретизации могут быть более легко сконструированы (использоваться для студийной технологии или также для передачи носителей данных), если частота дискретизации является целым числом, кратным выходной частоте.
ЦАП
Выходная частота была частотой сети 60 Гц, используемой для оцифровки видео с 525 строками для оцифровки телевизионного сигнала. Сменить 60 Гц было бы очень кропотливо, его оставили. Неслучайно умножение 525 на целочисленный коэффициент дает частоту выше 44 000 Гц, что должно быть достигнуто для упрощения фильтра сглаживания: следующее большее целое число, которое делится на 525, равно 44 100. Коэффициент умножения 84, целое число по желанию.
ЦАП Audiophile V2 на 9038 + клон FM711
Записывая звук, выбираем оптимальную частоту. Полезная информация
Не только новичкам, но и некоторым энтузиастам, занимающихся звуком много лет, покажется откровением тот факт, что банальный процесс записи сопровождается сложнейшими физическими явлениями. Одним из таковых называют дискретизацию. Согласно определению, она представляет собой процесс преобразования непрерывной функции в дискретную. Людям, далёким от науки, это понять сложно, тем более, здесь задействована квантовая физика – самая сложная из существующих на сегодняшний день. Но профессиональные звукорежиссёры, например, работающие в московской студии звукозаписи «Интервал», знают, что такое частота дискретизации звука, какая лучше применима в тех или иных случаях. Почему? Потому что от этого явления зависит конечное качество записываемой музыки. В кассетно-плёночный период эти нюансы, ввиду ограниченной технической оснащённости, опускались. Но в современном высокотехнологичном цифровом мире частота дискретизации звука имеет значение при создании музыки и демонстрации её слушателям.
Детализация понятий
Что такое разрядность и частота дискретизации, какая лучше? Ответ на данный вопрос, несмотря на сложность природы этих явлений, получить можно. При этом нет необходимости штудировать учебники по физике. Достаточно вспомнить, что советскими полуподпольными звукорежиссёрами, записывающими рок и другую музыку, эти показатели определялись на интуитивном уровне. Дискретизацию ещё называют сэмплированием. Это определение более понятно для музыкантов. Её частота подразумевает интенсивность процессов в тот момент, когда аналоговый сигнал преобразуется в цифровой. Среди них хранение данных, конвертация, и непосредственно оцифровка.
Частота дискретизации измеряется в герцах. Ориентиром в её изучении является теорема Котельникова. Её автор раскрывает суть дискретизации. Согласно теореме, она ограничивает интенсивность оцифрованного сигнала до половины собственной величины.
Частота дискретизации. В чём её значение для звукозаписи
Дискретизация по времени – это процесс, который непосредственно связан преобразованием аналогового сигнала в цифровой. Наряду с ней происходит квантование данных по амплитуде. Дискретизация по времени означает измерение сигнала в момент всей его передачи. В качестве единицы берётся один сэмпл. Если на словах это не совсем понятно, то на примере выглядит более убедительно. Допустим, частота дискредитации равняется 44100 Гц – та самая, которая применялась на аудио-CD. Это означает, что сигнал измеряется 44100 раз в течение одной секунды.
Аналоговый сигнал по своей насыщенности всегда превосходит цифровой. И его преобразование – это неизбежная потеря в качестве. Частота дискретизации служит своеобразным ориентиром: чем она выше, тем ближе качество цифрового звука к аналоговому. Это явственно просматривается в списке ниже. Он показывает, какая частота звука лучше. Изучая его, вы увидите непосредственную взаимосвязь дискретизации и качества трека:
Список чётко указывает на то, какая частота звука лучше. К тому же технологии на месте не стоят, и появляются новейшие форматы. Но прежде чем строить далеко идущие планы, следует учесть один очень весомый нюанс. Его суть проста: чем выше частота дискретизации, тем сложнее её достичь технологически. Для этого необходимо:
Учитывая вышеизложенную информацию, неудивительным является тот факт, что частота звука, равная 44100 Гц, продолжает оставаться наиболее востребованной и сегодня. Она десятилетиями удовлетворяет даже самые взыскательные запросы к качеству, и вместе с тем имеются все технические возможности для её достижения. Последний фактор является определяющим как для рядовых пользователей, так и для большинства звукозаписывающих студий. Даже зная, какая частота звука лучше, чтобы достигнуть её, необходимо позаботиться о технической оснащённости.
Что такое частота дискретизации звука и на что она влияет
Когда сигнал поступает на АЦП с предусилителя, компрессора, выхода пульта, синтезатора, — он представляет собой электромагнитные колебания. То есть на вход АЦП приходит некая волна с изменяющимся напряжением (очень маленьких величин). Для сохранения сигнала в файл его нужно «оцифровать», то есть закодировать с помощью единиц и нулей. В результате получается график волны на экране компьютера.
Даже самый лучший преобразователь имеет погрешность, ведь между нулем и единицей нет промежуточных значений, и график волны будет состоять только из вертикальных и горизонтальных отрезков, без наклонных линий. На графическую прорисовку волны будут влиять высота звука (частота колебаний), его тембр (форма волны) и громкость (амплитуда). Качественный АЦП должен корректно передать системе записи все эти параметры.
Итак, звук поступает в систему дискретно, то есть разделенным мелкие отрезки. От величины этих отрезков зависит точность кодирования аналогового сигнала в цифровой среде. Чем мельче горизонтальная и вертикальная дискретные единицы, тем точнее оцифровка.
Частота дискретизации
Горизонтальное дробление волны дает нам представление о частоте дискретизации, или частоте семплирования. Чем чаще АЦП фиксирует изменения значений графика волны, тем выше частота семплирования. Собственно, один семпл — это дискретный единичный отрезок, минимальная единица звука. Чем он короче, тем выше частота дискретизации.
К примеру, значение частоты дискретизации в 44.1 кГц показывает, что в одной секунде записи содержится 44100 семплов. Мы можем редактировать волну, принимая за минимальный элемент редактирования отрезок длительностью 1/44100 секунды. При увеличении частоты семплирования до 48 кГц этот отрезок уменьшается до 1/48000 доли секунды, давая возможность более точного воздействия.
Согласование частот дискретизации
АКАДЕМИЯ МЮЗИКМЕЙКЕРА
Книга А. Данилова о создании музыки
Каждый семпл по продолжительности равен предыдущему. Для корректного воспроизведения звука частоты дискретизации файла и системы должны быть идентичны. При добавлении в проект звуковой дорожки с частотой дискретизации, отличной от дискретизации хоста (программы), она должна быть сконвертирована.
Если воспроизводить файл более высокой частоты в системе с более низкой, он будет звучать медленнее, чем должен, и наоборот. Конвертирование сигнала из одной частоты в другую всегда приводит к появлению искажений. Чтобы «перекроить» звук под новую частоту дискретизации, система должна разбить семплы на более мелкие куски и снова собрать их в единую волну. Такой процесс может привести в лучшем случае просто к замыливанию звука, в худшем — к появлению щелчков.
Конечно, на встроенных колонках домашнего ноутбука разница будет незаметна. Но если речь идет о работе со звуком на профессиональном уровне, согласование частот дискретизации необходимо.
Не рекомендуется изменять частоту дискретизации в рамках одного проекта. Оправданием повышению дискретизации может быть, например, необходимость обработки файла алгоритмами или плагинами, лучше работающими на высоких частотах. Поскольку более высокая дискретность предполагает разбиение на более мелкие семплы, точность обработки будет выше, а качество в результате лучше. Но гарантировать эффективность этого метода тоже невозможно: в каждом случае результат будет индивидуальным. Необходимо каждый раз оценивать, что важнее — эффект от обработки на более высокой дискретности или негативное влияние конвертации.
Если по какой-то причине после завершения работы на частоте 48 кГц вам потребовалось конвертировать сигнал в 44.1 кГц, сохраните исходный файл на тот случай, если придется повторно вмешиваться в материал (например, для альтернативного мастеринга). Обработка на более высокой частоте дискретизации даст лучший эффект, чем на низкой.
Разрядность звука
Если горизонтальное дробление волны дает нам представление о частоте дискретизации, то вертикальная дискретизация – это разрядность, отвечающая за достоверную передачу динамических элементов записи. Чем большее количество «ступенек» может зафиксировать преобразователь, тем выше разрядность записанного звукового файла.
Например, волна за отрезок времени может совершить движение одной ступенькой от 0 до 16, а может четырьмя — по 4 единицы за шаг. Более точным представлением будет 16 шагов по единице. Количество ступенек, на которые волна дробится по вертикали, — это и есть разрядность.
Чем выше разрядность конвертора, тем достовернее он передаст сигналы разного уровня громкости. Если мы движемся большими шагами, каждый из которых равен 16 единицам (низкая разрядность), то при громкости входящей волны на уровне 4 график ее будет округлять до нуля. А если каждая ступенька разрядности равна 4 единицам (средняя разрядность), значение 4 будет зафиксировано на своем уровне, а значения 3 и 5 округлятся до 4. При единичном шаге все эти значения будут находиться на своих ступеньках — 3, 4, 5 (высокая разрядность).
Таким образом, более высокая разрядность АЦП дает возможность детальнее интерпретировать различные значения громкости звука и максимально приблизиться к форме реальной волны.
Разбиение волны на «ступеньки» по вертикали и горизонтали называется квантованием. Иногда частоту дискретизации называют частотой квантования, а разрядность динамическим квантованием, то есть разделением по уровням громкости (динамика).
Естественно, пример с 16 единицами — условность. Конверторы работают на гораздо более высоких значениях. Например, при разрядности 16 бит система может передать 65536 уровней громкости (2 в степени 16). А при 24 битах — 16777216 уровней (2 в степени 24).
Казалось бы, зачем столько? Неужели наше ухо способно различить хотя бы десять тысяч уровней громкости? Напрямую — не может. Скажем, два сигнала с «соседними» значениями даже при разрядности 16 бит мы различить не в состоянии. Но работа в студии ведется с разнообразными звуками, и некоторые из них имеют значительные перепады по громкости (к примеру, реверберация). Многие процессы требуют тонкой работы с громкостями (например, едва заметное воздействие эквалайзером на спектр). Для корректной работы нужна система с хорошей разрешающей способностью и по горизонтали, и по вертикали.
Но есть и обратная сторона медали. Высокие значения дискретизации и разрядности делают файлы более объемными, и для их обработки системе требуется больше ресурсов. Здесь самое время вспомнить про различия между ресурсонезависимыми и нативными системами. Чем выше квантование, тем сильнее загружается компьютер. Этот фактор более критичен для нативной системы, обремененной обслуживанием операционки и фоновых процессов.
Всегда нужно искать баланс между значениями дискретизации и разрядности и реальными возможностями системы. Не заставляйте ее работать на пределе, оставляйте резерв мощности.
Мы приближаемся к очень важной и мало кому понятной теме, связанной с музыкальным производством. Речь о так называемых шумах квантования. В ближайшее время этому явлению будет посвящен отдельный материал. Понимание природы шумов квантования дает возможность музыканту и звукорежиссеру разобраться в некоторых непростых вопросах, связанных с записью музыки в цифровой среде. Поскольку ввиду дороговизны и сложности в обслуживании аналогового оборудования подавляющее большинство музыкантов работает прежде всего именно в цифровых системах записи, эта тема так или иначе затрагивает всех.
Следите за обновлениями блога, подписывайтесь на новые статьи, чтобы совершенно бесплатно получать их на электронную почту. Также хочу напомнить, что очень много познавательной практической и теоретической информации содержится в моей книге «Академия Мюзикмейкера», которую без посредников можно приобрести на сайте MusicMaker.Pro.
Остались вопросы? Не стесняйтесь задавать их в комментариях под статьей или присоединяйтесь к обсуждениям в этой группе ВКонтакте, посвященной синтезаторам, музыкальному оборудованию и звукозаписи.
© Алексей Данилов Иллюстрации: А. Рублевский При перепечатывании ссылка на источник обязательна
Хотите получать новые статьи
прямо на почту?
Подпишитесь на обновления блога А. Данилова
Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез
Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.
Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.
Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?
Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).
Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).
Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.
Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).
Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).
Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).
Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).
Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)
Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).
Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:
Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то
Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.
При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.
Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением 
и квантованным значением 
(
)
Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).
Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).
Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).
Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.
50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.
Теперь о дискретизации.
Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то 
Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).
Теорема Котельникова гласит:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.
Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?
Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.
Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от
100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.
Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг
Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.
Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.
Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):
Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов
Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s
При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.
При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.
Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.
При заданном битрейте качество VBR обычно выше чем ABR. Качество ABR в свою очередь выше чем CBR: VBR > ABR > CBR.
ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.
Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:
Несжатый (RAW) формат данных
Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.
Аудиоформаты с сжатием без потерь
Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.
Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.
Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).
Кодеки сжатия без потерь: flac, WavPack, Monkey’s Audio…
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.
Кодеки сжатия с потерям: mp3, aac, ogg, wma, Musepack…