«Анализ методов кодирования данных»

2.4. Кодирование звуковой информации
Информация, такая как изображения и звуки, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. В аналоговом представлении физические величины имеют бесконечный набор значений, и их значения непрерывно меняются. В дискретном представлении физические величины имеют конечный набор значений, и их значения изменяются постепенно. Аналоговое представление графической информации - это, например, картина, цвет которой меняется непрерывно, а дискретное представление - это изображение, состоящее из отдельных точек разного цвета, напечатанное струйным принтером. Примером аналоговой записи звуковой информации является виниловая пластинка (форма дорожки, на которой воспроизводится звук, постоянно меняется), а примером дискретной записи - аудио CD (дорожка, на которой воспроизводится звук, содержит сегменты с различными отражениями). Преобразование звуковой информации из аналоговой в дискретную осуществляется путем дискретизации, которая разбивает непрерывный (аналоговый) звуковой сигнал на отдельные компоненты. Процесс выборки включает кодирование, т.е. присвоение каждому элементу определенного значения в виде кода.
Дискретизация — это процесс преобразования непрерывного изображения или звука в набор дискретных значений и присвоение значения каждому из этих кодов.
Как мы учили на уроках физики, звук — это вибрация среды, непрерывный сигнал с изменяющейся амплитудой (рис. 2.4).

Рис.2.4. Звуковая волна.
При кодировании речи этот сигнал должен быть представлен в виде последовательности 0 и 1. Что происходит, например, с микрофоном? Периодически, очень часто (десятки тысяч раз в секунду), измеряется амплитуда колебаний. Каждое измерение выполняется с ограниченной точностью и записывается в двоичной форме. Частота, с которой регистрируется амплитуда, называется частотой дискретизации [19.с. 29].
Ступенчатый сигнал сглаживается аналоговым фильтром и преобразуется в звук с помощью усилителя и динамика.

Два параметра, частота дискретизации (количество измеренных амплитуд в секунду, в герцах) и количество кодированных битов (количество битов, используемых для записи значений амплитуды, в битах), сильно влияют на качество воспроизведения закодированного звука.

Например, при записи CD используются 16 битовых значений и частота дискретизации 44,032 Гц. Эти настройки обеспечивают превосходное качество звука для речи и музыки. Для стереозвука данные записываются отдельно для левого и правого каналов.
Приемы и методы манипулирования аудиоинформацией являются последними достижениями в области компьютерных технологий. Более того, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, звукозаписи имеют короткую и непроверенную историю кодирования. В результате методы бинаризации аудиоинформации плохо стандартизированы. Многие отдельные компании разработали собственные корпоративные стандарты, среди которых можно выделить два основных направления [6. с. 115].
1. Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на ряд простых гармонических сигналов различной частоты, каждый сигнал синусоидален и поэтому описывается числовыми параметрами (кодами). В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми сигналами. Специальные устройства, называемые аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), разбивают эти сигналы на гармонические последовательности и представляют их в виде дискретных цифровых сигналов. Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного в цифровом коде, осуществляется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Такие преобразования, как правило, не совсем удовлетворительны, в соответствии с некачественным звучанием электронных инструментов со специфическими электронными музыкальными красками, из-за неизбежной потери информации, вызванной методом кодирования. В то же время, этот метод копирования приводит к очень компактному коду и используется даже в те времена, когда вычислительные мощности еще не соответствуют требованиям.
2. Метод синтеза волновой таблицы в соответствии с современными техническими стандартами. Заранее готовится таблица с образцами звучания различных инструментов. В технике эти примеры называются образцами. Цифровые коды представляют собой тип инструмента, номер модели, высоту, длительность и интенсивность звука, динамику изменения, определенные параметры среды, в которой производится звук, и другие параметры, описывающие характеристики звука. Качество образца очень высокое и близко к качеству звучания реального инструмента, поскольку это образец реального звука.