Цифровой аудиосигнал

Аудиосигнал — аналоговое или цифровое представление звука. Используется при записи, редактировании (обработке звука) и воспроизведении. Аудиосигнал не предназначен для передачи сообщений или событий. Также мы не будем рассматривать сжатый аудиосигнал, так как он не пригоден к цифровой обработке.

Среднее значение аналогового сигнала должно быть близко к 0В. Иначе постоянная составляющая будет вызывать затраты мощности без полезного действия. Часто усилители или активные колонки имеют защиту, которые выключают оборудование при появлении постоянной составляющей.

Дискретизация (sampling) — преобразование непрерывного аналогового сигнала в дискретный сигнал, производится Аналого-Цифровым Преобразователем (АЦП).

Перед дискретизацией сигнал транслируется в диапазон АЦП (например: от 0 до 5В). При трансляции нельзя допустить выход сигнала за диапазон АЦП, иначе возникнут неустранимые искажения — обрезание (clipping) сигнала.

Например, аналоговый сигнал, поступающий на АЦП, имеет диапазон от −1.5В до +1.5В. После трансляции получаем сигнал в диапазоне от 0.25 до 4.75В, который не выходит за рамки диапазона АЦП.

После дискретизации получаем цифровой сигнал, дискретные значения которого кодируются двоичным (прямым) кодом в диапазоне от 0 до M−1.

M = 2^m, M — число уровней квантования, m — число разрядов.

Отсчет (sample) — одно значение дискретного сигнала. Цифровой сигнал является последовательностью отсчетов заданной разрядности, полученных с заданной частотой дискретизации.

Для цифровой обработки сигнал, полученный с АЦП, необходимо преобразовать в вещественное представление, чтобы оперировать теми же значениями, что и в аналоговом сигнале (в нашем примере: от −1.5 до 1.5).

Вещественные числа (real numbers) представляют в цифровом устройстве с помощью форматов с фиксированной или плавающей запятой.

Фиксированная запятая (fixed-point) — формат представления вещественного числа в памяти цифрового устройства в виде целого числа (integer). Основное преимущество такого представления то, что с такими числами можно производить арифметические операции, как с обычными целыми числами, но при этом нужно следить за порядком результата и не допускать переполнения.

Плавающая запятая (float-point) — форма представления действительных чисел, в которой число хранится в форме мантиссы и показателя степени (порядка). Для реализации формата чисел с плавающей запятой требуется аппаратная поддержка процессора.

Параметры цифрового аудиосигнала

Разрядность цифрового сигнала (bits resolution) — количество уровней квантования дискретного сигнала. В профессиональной аудио обработке применяется разрядность 16, 20 и 24 бит.

Частота дискретизации (sampling rate) — частота, с которой аналоговый сигнал дискретизируется в дискретный сигнал. В профессиональной аудио обработке применяются частоты дискретизации 44100Гц или 48000Гц. Также используются частоты в 2 или 4 раза выше — 88200/96000 или 176400/192000.

Формат представления — целые (прямой код) или вещественные (фиксированная или плавающая точка) числа.

Количество каналов — сигнал может быть моно, стерео и многоканальный (3..8 каналов). В некоторых случаях аудио обработка должна учитывать количество каналов.

Также цифровой сигнал характеризуется общими с аналоговым сигналом параметрами — мощность сигнала, частотный диапазон (frequency range), динамический диапазон (dynamic range).