Компьютер – это цифровое устройство, то есть электронное
устройство, в котором рабочим сигналом является дискретный сигнал. Сегодняшние
компьютеры оперируют дискретными сигналами, несущими двоичные значения, условно
обозначаемые как «да» и «нет» (на электрическом уровне: 0 вольт и V вольт, для
некоторого ненулевого значения V). С помощью одного двоичного сигнала за один
шаг можно передать информацию об одном из всего двух положений: 0 («да») или 1
(«нет»). С помощью N двоичных сигналов за один шаг можно передать информацию об
одном из 2 N положений (2 N – это число комбинаций нулей и единиц для N
сигналов). Взаимодействие всех составляющих компьютер блоков происходит путем
обмена и обработки одним или одновременно несколькими двоичными сигналами. Все
– коды управления, а также сама обрабатываемая информация – все представляется
в компьютере в виде чисел. По этой причине и аудио сигналы в цифровой
аппаратуре представляют в виде чисел.
Итак, каким же образом можно описать аналоговый аудио сигнал в
цифровой форме? Реальный аудио сигнал – это сложное по форме колебание, некая
сложная зависимость амплитуды звуковой волны от времени. Преобразование
аналогового звукового сигнала в цифровой вид называется аналогово-цифровым преобразованием или
оцифровкой.
Процесс такого преобразования заключается в:
3.1.
Дискретизация
Процесс дискретизации
по времени - это процесс получения мгновенных значений
преобразуемого аналогового сигнала с определенным временным шагом, называемым шагом дискретизации (см.
рис. 7).
Количество осуществляемых в одну секунду замеров величины
сигнала называют частотой
дискретизации или частотой
выборки, или
частотой сэмплирования (от англ. « sampling» – «выборка»). Очевидно, что чем
меньше шаг дискретизации, тем выше частота дискретизации (то есть, тем чаще
регистрируются значения амплитуды), и, значит, тем более точное представление о
сигнале мы получаем. Это рассуждение подтверждается доказанной теоремой, теоремой Котельникова (в
зарубежной литературе встречается как теорема Шеннона, Shannon). Согласно этой
теореме, аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть точно описан
дискретной последовательностью значений его амплитуды, если эти значения
следуют с частотой, как минимум вдвое превышающей наивысшую частоту спектра.
Иначе говоря, аналоговый сигнал, в котором частота наивысшей составляющей
спектра равна F m, может быть точно описан последовательностью дискретных значений
амплитуды, если для частоты дискретизации F d выполняется: .
На практике это означает следующее: для того, чтобы оцифрованный сигнал
содержал информацию о всем диапазоне слышимых человеком частот исходного
аналогового сигнала (0 – 20 кГц) необходимо, чтобы выбранное значение частоты
дискретизации при оцифровке сигнала составляло не менее 40 кГц.
Казалось бы, для завершения процесса оцифровки теперь осталось
лишь записать измеренные мгновенные значения амплитуды сигнала в численной
форме. Полученная последовательность чисел (по одному результату замера
амплитуды сигнала на каждый шаг) и образует цифровую форму исходного аналогового
сигнала – так называемый импульсный
сигнал . Здесь, однако, обнаруживается основная трудность
оцифровки, заключающаяся в невозможности записать измеренные значения сигнала с
идеальной точностью.