Кодирование звука (ЕГЭ-ОГЭ)

• Цифровой звук — это представление звукового сигнала в виде последовательности численных значений его амплитуды.
• Дискретизация — измерение (выборка) значений амплитуды сигнала через равные интервалы времени.
• Квантование — округление замеренных значений амплитуды до ближайшего доступного уровня.
• Частота дискретизации ${\displaystyle F_{d}}$ — число отсчётов сигнала в секунду (Гц).
• Максимальная частота сигнала ${\displaystyle F_{m}}$ — наибольшая составляющая частота в спектре сигнала.
• Разрядность квантования ${\displaystyle N}$ — количество бит, отводимых для хранения одного отсчёта сигнала.

Процесс оцифровки звука включает два этапа: дискретизацию по времени и квантование по амплитуде.

В ходе дискретизации амплитуда звукового сигнала фиксируется через равные интервалы времени с частотой дискретизации ${\displaystyle F_{d}}$. Согласно теореме Котельникова, для точного восстановления сигнала частота дискретизации должна превышать удвоенную максимальную частоту сигнала:

${\displaystyle F_{d}>2F_{m}}$

Например, чтобы оцифровать звуковой диапазон до 20 кГц, требуется ${\displaystyle F_{d}>40}$ кГц.

Квантование представляет собой приближение измеренных значений амплитуды к ближайшим уровням квантования. Число таких уровней определяется разрядностью квантования:

${\displaystyle {\text{Количество уровней}}=2^{N}}$

Где ${\displaystyle N}$ — разрядность в битах. Увеличение ${\displaystyle N}$ снижает погрешность квантования и улучшает качество звука.

• Импульсно-кодовая модуляция (англ. Pulse Code Modulation, PCM): амплитудные значения регистрируются через равные интервалы времени и обрабатываются с одинаковыми уровнями квантования.
• Дифференциальная ИКМ (англ. Differential PCM, DPCM): кодируются разности между последовательными отсчётами амплитуды.
• Адаптивная DPCM (англ. Adaptive DPCM, ADPCM): улучшенный вариант DPCM с динамическим шагом квантования.

После получения цифровых отсчётов применяются различные методы кодирования для оптимального хранения и передачи звуковых данных.

• Сжатие без потерь: методы, позволяющие уменьшить объём данных без утраты информации. Примером служит формат FLAC.
• PCM: хранение оцифрованного звука без сжатия, применяется на аудио-CD при частоте дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит.

• Сжатие с потерями: удаление избыточной информации, не воспринимаемой слухом, для сокращения объёма данных.
• MP3 (англ. MPEG Audio Layer III): применяет психоакустические модели для эффективного сжатия.
• AAC (англ. Advanced Audio Coding): более продуктивный метод сжатия по сравнению с MP3.

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровой путём дискретизации и квантования.
• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП): устройство, возвращающее цифровой сигнал в аналоговый для воспроизведения звука.

• Разрядность квантования: определяет динамический диапазон и уровень шума.
• Частота дискретизации: определяет диапазон воспроизводимых частот.
• Джиттер: временные искажения при дискретизации, влияющие на точность измерений.

Процесс кодирования звука является основополагающим компонентом цифровой обработки аудиосигналов, обеспечивая эффективное хранение, передачу и воспроизведение звука. Знание принципов дискретизации, квантования и разнообразных методов кодирования позволяет оценить возможности современных аудиотехнологий и их применение в повседневной практике.