Kodiranje i obrada audio informacija. Kako je zvuk kodiran? Digitalno audio kodiranje i obrada Vrste digitalnih audio formata

Glavni parametri koji utječu na kvalitetu digitalnog audio zapisa su:

§ Bitni kapacitet ADC i DAC.

§ Brzine uzorkovanja ADC i DAC.

§ Jitter ADC i DAC

§ Preuzorkovanje

Parametri analognog puta također su važni. digitalni uređaji snimanje i reprodukcija zvuka:

§ Omjer signala i šuma

§ Faktor harmonijskog izobličenja

§ Intermodulacijska distorzija

§ Nejednake amplitudno-frekvencijske karakteristike

§ Međusobno prožimanje kanala

§ Dinamički raspon

Digitalna tehnologija audio snimanja

Snimiti digitalni audio trenutno se provodi u studijima za snimanje, kontroliranim osobnim računalima i drugom skupom i kvalitetnom opremom. Koncept "kućnog studija" također je prilično široko razvijen, u kojem se profesionalna i polu-profesionalna oprema za snimanje koristi za stvaranje kvalitetne snimke kod kuće.

primijeniti zvučne kartice u sklopu računala koja u svojim ADC-ovima i DAC-ovima provode obradu - najčešće u 24 bita i 96 kHz, daljnjim povećanjem bit ratea i frekvencije uzorkovanja praktički se ne povećava kvaliteta zapisa.

Postoji čitava klasa računalnih programa - uređivača zvuka koji vam omogućuju rad sa zvukom:

§ snimanje dolaznog audio toka

§ stvoriti (generirati) zvuk

§ promjena postojeći unos(dodajte uzorke, promijenite boju, brzinu zvuka, izrežite dijelove itd.)

§ prepisivanje iz jednog formata u drugi

§ convert pretvoriti različite audio kodeke

Neki jednostavni programi, dopuštaju samo konverziju formata i kodeka.

Vrste digitalnih audio formata

Postoje različiti koncepti zvučnog formata.

Format za predstavljanje audio podataka u digitalnom obliku ovisi o metodi kvantizacije koju koristi digitalno-analogni pretvarač (DAC). U audio tehnici trenutno su najčešća dva tipa kvantizacije:

§ modulacija impulsnog koda

§ sigma-delta modulacija

Često se dubina bita kvantizacije i frekvencija uzorkovanja označavaju za razne uređaje za snimanje i reprodukciju zvuka kao format digitalne audio prezentacije (24 bita/192 kHz; 16 bita/48 kHz).

Format datoteke određuje strukturu i značajke prezentacije audio podataka kada su pohranjeni na uređaju za pohranu računala. Kako bi se uklonila redundancija audio podataka, audio kodeci se koriste za komprimiranje audio podataka. Postoje tri skupine formata zvučnih datoteka:

§ Nekomprimirani audio formati kao što su WAV, AIFF

§ audio formati s kompresijom bez gubitaka (APE, FLAC)

§ audio formati koji koriste kompresiju s gubitkom (mp3, ogg)

Ističu se modularni formati glazbenih datoteka. Stvoreni sintetički ili iz uzoraka prethodno snimljenih instrumenata uživo, uglavnom služe za stvaranje moderne elektronske glazbe (MOD). Ovo također uključuje MIDI format, koji nije zvučni zapis, ali uz pomoć sekvencera omogućuje snimanje i reprodukciju glazbe pomoću određenog skupa naredbi u tekstualnom obliku.

Formati digitalnih audio medija koriste se kako za masovnu distribuciju zvučnih zapisa (CD, SACD), tako i za profesionalno snimanje zvuka (DAT, minidisc).

Za sustave surround zvuka također je moguće razlikovati audio formate, koji su uglavnom višekanalna audio pratnja za filmove. Takvi sustavi imaju cijele obitelji formata dviju velikih konkurentskih tvrtki, Digital Theater Systems Inc. - DTS i Dolby Laboratories Inc. - Dolby Digital.

Format je također broj kanala u višekanalnim zvučnim sustavima (5.1; 7.1). U početku je takav sustav razvijen za kina, ali je kasnije proširen softverskim kodekom

Audio kodek na programskoj razini

§ G.723.1 - jedan od osnovnih kodeka za aplikacije IP telefonije

§ G.729 je vlasnički uskopojasni kodek koji se koristi za digitalno predstavljanje govora

§ Internet Low Bitrate Codec (iLBC) - popularan besplatni kodek za IP telefoniju (osobito za Skype i Google Talk)

Audio kodek(Engleski) Audio kodek; audio encoder/decoder) – računalni program odn hardver, dizajniran za kodiranje ili dekodiranje audio podataka.

Softverski kodek

Audio kodek na programskoj razini je specijalizirana kompjuterski program, kodek koji komprimira (sažima) ili dekompresira (dekompresira) digitalne audio podatke prema audio formatu datoteke ili strujanom audio formatu. Posao audio kodeka kao kompresora je osigurati audio signal određene kvalitete/točnosti i najmanje moguće veličine. Kompresija smanjuje količinu prostora potrebnog za pohranjivanje audio podataka i također može smanjiti propusnost kanala preko kojeg se audio podaci prenose. Većina audio kodeka implementirana je kao softverske biblioteke koje komuniciraju s jednim ili više audio playera, kao što su QuickTime Player, XMMS, Winamp, VLC media player, MPlayer ili Windows Media Player.

Popularni softverski audio kodeci po primjeni:

§ MPEG-1 Layer III (MP3) - vlasnički kodek za audio snimke (glazba, audio knjige, itd.) za računalne opreme i digitalni playeri

§ Ogg Vorbis (OGG) - drugi najpopularniji format, široko korišten u računalne igrice iu mrežama za dijeljenje datoteka za prijenos glazbe

§ GSM-FR - prvi digitalni standard kodiranje govora koje se koristi u GSM telefoni

§ Adaptive multi rate (AMR) - snimanje ljudskog glasa Mobiteli i drugi Mobilni uredaji

Ljudsko uho opaža zvuk na frekvencijama u rasponu od 20 vibracija u sekundi (niski zvuk) do 20 000 vibracija u sekundi (visok zvuk).

Čovjek može percipirati zvuk u ogromnom rasponu intenziteta, pri čemu je maksimalni intenzitet 10 14 puta veći od minimalnog (sto tisuća milijardi puta). Za mjerenje jačine zvuka koristi se posebna jedinica "decibel"(dbl) (tablica 5.1). Smanjenje ili povećanje glasnoće zvuka za 10 dbl odgovara smanjenju ili povećanju intenziteta zvuka za 10 puta.

Vremensko uzorkovanje zvuka. Da bi računalo obradilo zvuk, kontinuirano zvučni signal mora se pretvoriti u digitalni diskretni oblik korištenjem vremenskog uzorkovanja. Kontinuirani zvučni val podijeljen je u zasebne male privremene dijelove, a za svaki takav dio postavljena je određena vrijednost intenziteta zvuka.

Stoga je kontinuirana ovisnost glasnoće zvuka o vremenu A(t) zamijenjena diskretnim nizom razina glasnoće. Na grafikonu to izgleda kao zamjena glatke krivulje nizom "koraka" (slika 1.2).

Riža. 1.2. Vremensko uzorkovanje zvuka

Učestalost uzorkovanja. Mikrofon spojen na zvučnu karticu koristi se za snimanje analognog zvuka i njegovo pretvaranje u digitalni oblik. Kvaliteta dobivenog digitalnog zvuka ovisi o broju mjerenja razine glasnoće zvuka u jedinici vremena, tj. stope uzorkovanja. Kako velika količina mjerenja se provode u 1 sekundi (što je veća frekvencija uzorkovanja), to točnije "ljestve" digitalnog audio signala slijede krivulju dijaloškog signala.

Brzina uzorkovanja zvuka je broj mjerenja glasnoće zvuka u jednoj sekundi.

Brzine uzorkovanja zvuka mogu se kretati od 8 000 do 48 000 mjerenja glasnoće zvuka u sekundi.

Dubina audio kodiranja. Svakom "koraku" dodijeljena je određena razina glasnoće zvuka. Razine glasnoće zvuka mogu se promatrati kao skup mogućih stanja N, za čije kodiranje je potrebna određena količina informacija I, što se naziva dubina kodiranja zvuka.

Dubina audio kodiranja- ovo je količina informacija koja je potrebna za kodiranje diskretne razine glasnoća digitalnog zvuka.

Ako je poznata dubina kodiranja, broj razina glasnoće digitalnog zvuka može se izračunati pomoću formule N = 2 I. Neka dubina audio kodiranja bude 16 bita, tada je broj razina glasnoće zvuka jednak:

N = 2 I = 2 16 = 65,536.

Tijekom procesa kodiranja, svakoj razini glasnoće zvuka dodjeljuje se vlastiti 16-bitni binarni kod, najniža razina zvuka odgovara kodu 0000000000000000, a najviša - 1111111111111111.

Kvaliteta digitaliziranog zvuka.Što su veća frekvencija i dubina uzorkovanja zvuka, to je veća kvaliteta digitaliziranog zvuka. Najniža kvaliteta digitaliziranog zvuka koja odgovara kvaliteti telefonska komunikacija, dobiven brzinom uzorkovanja od 8000 puta u sekundi, dubinom uzorkovanja od 8 bita i snimanjem jednog audio zapisa (mono način). Najviša kvaliteta digitaliziranog zvuka, koja odgovara kvaliteti audio CD-a, postiže se brzinom uzorkovanja od 48.000 puta u sekundi, dubinom uzorkovanja od 16 bita i snimanjem dva audio zapisa (stereo način).

Mora se imati na umu da što je veća kvaliteta digitalnog zvuka, veća je količina informacija u zvučnoj datoteci. Možete procijeniti glasnoću informacija digitalne stereo audio datoteke sa trajanjem zvuka od 1 sekunde s prosječnom kvalitetom zvuka (16 bita, 24 000 mjerenja u sekundi). Da biste to učinili, dubina kodiranja mora se pomnožiti s brojem mjerenja u 1 sekundi i pomnožiti s 2 (stereo zvuk):

16 bita × 24 000 × 2 = 768 000 bita = 96 000 bajtova = 93,75 KB.

Urednici zvuka. Urednici zvuka omogućuju ne samo snimanje i reprodukciju zvuka, već i njegovo uređivanje. Digitalizirani zvuk predstavljen je u montažeri zvuka u vizualnom obliku, pa se kopiranje, premještanje i brisanje dijelova zvučnog zapisa može jednostavno izvesti pomoću miša. Osim toga, možete preklapati audiozapise jedan na drugi (miješati zvukove) i primijeniti različite akustične efekte (eho, reprodukcija unatrag, itd.).

Urednici zvuka omogućuju promjenu kvalitete digitalnog zvuka i veličine audio datoteke promjenom brzine uzorkovanja i dubine kodiranja. Digitalizirani zvuk može se spremiti nekomprimiran u audio datoteke u univerzalni format WAV ili u komprimiranom formatu MP3.

Prilikom spremanja zvuka u komprimirane formate, odbacuju se zvučne frekvencije niskog intenziteta koje su "pretjerane" za ljudsku percepciju i vremenski se podudaraju s frekvencijama zvuka visokog intenziteta. Korištenje ovog formata omogućuje komprimiranje zvučnih datoteka desetke puta, ali dovodi do nepovratnog gubitka informacija (datoteke se ne mogu vratiti u izvorni oblik).

Kontrolna pitanja

1. Kako brzina uzorkovanja i dubina kodiranja utječu na kvalitetu digitalnog zvuka?

Zadaci za samostalno rješavanje

1.22. Zadatak selektivnog odgovora. Zvučna kartica proizvodi binarno kodiranje analognog audio signala. Koliko je informacija potrebno za kodiranje svake od 65 536 mogućih razina intenziteta signala?
1) 16 bita; 2) 256 bita; 3) 1 bit; 4) 8 bita.

1.23. Zadatak s detaljnim odgovorom. Procijenite količinu informacija digitalnih audio datoteka u trajanju od 10 sekundi pri dubini kodiranja i frekvenciji uzorkovanja audio signala koje pružaju minimalnu i maksimalnu kvalitetu zvuka:
a) mono, 8 bita, 8000 mjerenja u sekundi;
b) stereo, 16 bita, 48 000 mjerenja u sekundi.

1.24. Zadatak s detaljnim odgovorom. Odredite trajanje zvučne datoteke koja će stati na 3,5" disketu (imajte na umu da je 2847 sektora od po 512 bajtova dodijeljeno za pohranu podataka na takvu disketu):
a) s niskom kvalitetom zvuka: mono, 8 bita, 8000 mjerenja u sekundi;
b) s visokom kvalitetom zvuka: stereo, 16 bita, 48 000 mjerenja u sekundi.

Ovisnost glasnoće, kao i visine zvuka, o intenzitetu i frekvenciji zvučnog vala

Herc(označeno s Hz ili Hz) - mjerna jedinica frekvencije periodičnih procesa (na primjer, oscilacija).
1 Hz znači jedno izvršenje takvog procesa u jednoj sekundi: 1 Hz = 1/s.

Ako imamo 10 Hz, to znači da imamo deset izvršenja takvog procesa u jednoj sekundi.

Ljudsko uho može percipirati zvuk na frekvencijama u rasponu od 20 vibracija u sekundi (20 Hertz, niski zvuk) do 20 000 vibracija u sekundi (20 KHz, visok zvuk).

Osim toga, osoba može percipirati zvuk u širokom rasponu intenziteta, pri čemu je maksimalni intenzitet 1014 puta veći od minimalnog (sto tisuća milijardi puta).

Za mjerenje jačine zvuka izumljena je i korištena posebna jedinica " decibel" (dB)

Smanjenje ili povećanje glasnoće zvuka za 10 dB odgovara smanjenju ili povećanju intenziteta zvuka za 10 puta.

Jačina zvuka u decibelima

Da bi računalni sustavi mogao obraditi zvuk, kontinuirani audio signal mora se pretvoriti u digitalni, diskretni oblik korištenjem vremenskog uzorkovanja.

Da biste to učinili, kontinuirani zvučni val podijeljen je u zasebne male privremene dijelove, a za svaki takav odjeljak postavljena je određena vrijednost intenziteta zvuka.

Stoga je kontinuirana ovisnost glasnoće zvuka o vremenu A(t) zamijenjena diskretnim nizom razina glasnoće. Na grafikonu to izgleda kao zamjena glatke krivulje nizom "koraka".

Vremensko uzorkovanje zvuka

Mikrofon spojen na zvučnu karticu koristi se za snimanje analognog zvuka i njegovo pretvaranje u digitalni oblik.

Što su diskretne pruge gušće na grafikonu, to ćete s vremenom moći ponovno stvoriti izvorni zvuk bolje kvalitete.

Kvaliteta dobivenog digitalnog zvuka ovisi o broju mjerenja razine glasnoće zvuka u jedinici vremena, odnosno frekvenciji uzorkovanja.

Brzina uzorkovanja zvuka je broj mjerenja glasnoće zvuka u jednoj sekundi.

Što se više mjerenja izvrši u jednoj sekundi (što je veća frekvencija uzorkovanja), to točnije "ljestve" digitalnog audio signala slijede krivulju analognog signala.

Svakom "koraku" na grafikonu dodijeljena je određena vrijednost razine glasnoće zvuka. Razine glasnoće zvuka mogu se smatrati skupom mogućih stanja N(gradacije), za čije kodiranje je potrebna određena količina informacija ja, što se naziva dubina audio kodiranja.

Dubina audio kodiranja je količina informacija potrebna za kodiranje diskretnih razina glasnoće digitalnog zvuka.

Ako je poznata dubina kodiranja, tada se broj razina glasnoće digitalnog zvuka može izračunati pomoću opće formule N=2I.

Na primjer, neka dubina audio kodiranja bude 16 bita, u kojem slučaju je broj razina glasnoće zvuka jednak:

N = 2 I = 2 16 = 65,536.

Tijekom procesa kodiranja, svakoj razini glasnoće zvuka dodjeljuje se vlastiti 16-bitni binarni kod, najniža razina zvuka odgovara kodu 0000000000000000, a najviša - 1111111111111111.

Kvaliteta digitaliziranog zvuka

Dakle, što je veća frekvencija uzorkovanja i dubina kodiranja zvuka, to će digitalizirani zvuk zvučati kvalitetnije i bolje možete približiti digitalizirani zvuk izvornom zvuku.

Najviša kvaliteta digitaliziranog zvuka, koja odgovara kvaliteti audio CD-a, postiže se brzinom uzorkovanja od 48.000 puta u sekundi, dubinom uzorkovanja od 16 bita i snimanjem dva audio zapisa (stereo način).

Mora se zapamtiti da što je veća kvaliteta digitalnog zvuka, veća je količina informacija u zvučnoj datoteci.

Možete jednostavno procijeniti glasnoću informacija digitalne stereo audio datoteke sa trajanjem zvuka od 1 sekunde s prosječnom kvalitetom zvuka (16 bita, 24 000 mjerenja u sekundi). Da biste to učinili, dubina kodiranja mora se pomnožiti s brojem mjerenja u sekundi i pomnožiti s 2 kanala (stereo zvuk):

16 bita × 24 000 × 2 = 768 000 bita = 96 000 bajtova = 93,75 KB.

Urednici zvuka

Urednici zvuka omogućuju ne samo snimanje i reprodukciju zvuka, već i njegovo uređivanje. Najistaknutiji se mogu sigurno nazvati, kao što je Sony Sound Forge, Adobe Audition, GoldWave i drugi.

Digitalizirani zvuk predstavljen je u uređivačima zvuka u jasnom vizualnom obliku, tako da se kopiranje, premještanje i brisanje dijelova zvučnog zapisa može jednostavno izvršiti pomoću računalnog miša.

Osim toga, možete preklapati i preklapati audiozapise jedan na drugi (miješati zvukove) i primijeniti različite akustične efekte (eho, reprodukcija unazad, itd.).

Prilikom spremanja zvuka u komprimirane formate, odbacuju se zvučne frekvencije niskog intenziteta koje su nečujne i neprimjetne („pretjerane“) za ljudsku percepciju, a vremenski se podudaraju s frekvencijama zvuka visokog intenziteta. Korištenje ovog formata omogućuje komprimiranje zvučnih datoteka desetke puta, ali dovodi do nepovratnog gubitka informacija (datoteke se ne mogu vratiti u izvorni, izvorni oblik).

Ciljevi:

obrazovni:

• Upoznajte se s tehnologijom kodiranja binarnih datoteka Wav format
• Naučite rješavati probleme za određivanje veličine WAV audio datoteke

Vremensko uzorkovanje - proces u kojem se tijekom kodiranja kontinuiranog audio signala zvučni val dijeli na zasebne male vremenske dionice, a za svaku takvu dionicu zadaje se određena vrijednost amplitude. Što je veća amplituda signala, to je zvuk glasniji.

Dubina zvuka (dubina kodiranja) -broj bitova po audio kodiranju.

Razine glasnoće (razine signala)- zvuk može imati različite razine glasnoće. Broj različitih razina glasnoće izračunava se pomoću formule N= 2 ja Gdjeja- dubina zvuka.

Učestalost uzorkovanja - broj mjerenja razine ulaznog signala u jedinici vremena (po 1 sekundi). Što je veća stopa uzorkovanja, točniji je postupak binarnog kodiranja. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz). 1 mjerenje u 1 sekundi -1 Hz.

1000 mjerenja u 1 sekundi 1 kHz. Označimo brzinu uzorkovanja slovomD. Za kodiranje odaberite jednu od tri frekvencije:44,1 KHz, 22,05 KHz, 11,025 KHz.

Vjeruje se da je raspon frekvencija koje osoba čuje iz 20 Hz do 20 kHz.

Kvaliteta binarnog kodiranja -vrijednost koja je određena dubinom kodiranja i učestalošću uzorkovanja.

Audio adapter (zvučna kartica) - uređaj koji pretvara električne vibracije zvučne frekvencije u numerički binarni kod pri unosu zvuka i obrnuto (iz numeričkog koda u električne vibracije) pri reprodukciji zvuka.

Specifikacije audio adaptera:frekvencija uzorkovanja i dubina bita registra.).

Veličina registra - broj bitova u registru audio adaptera. Što je veća dubina bita, to je manja pogreška svake pojedinačne pretvorbe vrijednosti električna struja do broja i natrag. Ako je dubina bita ja, tada se pri mjerenju ulaznog signala 2 može dobitija = N različita značenja.

Veličina digitalne mono audio datoteke (A) mjeri se formulom:

A= D* T* ja/8 , GdjeD - frekvencija uzorkovanja (Hz),T- vrijeme reprodukcije ili snimanja zvuka,jaširina registra (rezolucija). Prema ovoj formuli, veličina se mjeri u bajtovima.

Veličina digitalne stereo audio datoteke (A) mjeri se formulom:

A=2* D* T* ja/8 , signal se snima za dva zvučnika, budući da su lijevi i desni zvučni kanal kodirani odvojeno.

Korisno je da učenici daju tablicu 1, pokazujući koliko će MB zauzeti kodirana jedna minuta audio informacije pri različitim brzinama uzorkovanja:

Algoritam 1 (Izračunajte volumen informacija zvučne datoteke):

1) saznajte koliko se ukupnih vrijednosti učitava u memoriju tijekom vremena reprodukcije datoteke;

2) saznati kapacitet koda (koliko bitova u memoriji svaka izmjerena vrijednost zauzima);

3) umnožiti rezultate;

4) pretvoriti rezultat u bajtove;

5) pretvoriti rezultat u K bajtova;

6) pretvoriti rezultat u M bajtova;

Algoritam 2 (Izračunajte vrijeme reprodukcije datoteke.)

1) Pretvorite količinu informacija datoteke u K bajtova.

2) Pretvorite količinu informacija datoteke u bajtove.

3) Pretvorite količinu informacija datoteke u bitove.

4) Saznajte koliko je vrijednosti izmjereno (volumen informacija u bitovima podijeljen s duljinom bita koda).

5) Izračunajte broj sekundi zvuka. (Podijelite prethodni rezultat s učestalošću uzorkovanja.)

1. Veličina digitalne datoteke

Razina "3"

1. Odredite veličinu (u bajtovima) digitalni audio datoteke čije je vrijeme reprodukcije 10 sekundi pri frekvenciji uzorkovanja od 22,05 kHz i razlučivosti od 8 bita. Datoteka nije komprimirana.

Riješenje:

Formula za izračunavanje veličine (u bajtovima) digitalna audio datoteka: A= D* T* ja/8.

Za pretvorbu u bajtove, dobivena vrijednost mora se podijeliti s 8 bitova.

22,05 kHz =22,05 * 1000 Hz =22050 Hz

A= D* T* ja/8 = 22050 x 10 x 8 / 8 = 220500 bajtova.

Odgovor: Veličina datoteke je 220500 bajtova.

2. Odredite količinu memorije za pohranu digitalne audio datoteke, čije je vrijeme reprodukcije dvije minute pri frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i razlučivosti od 16 bita.

Riješenje:

A= D* T* ja/8. - količina memorije za pohranu digitalne audio datoteke.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bitova) / 8 (bitova) = 10584000 bajtova = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Odgovor: ≈ 10 MB

Razina "4"

3. Korisnik ima kapacitet memorije od 2,6 MB. Potrebno je snimiti digitalnu audio datoteku u trajanju zvuka od 1 minute. Kolika bi trebala biti frekvencija uzorkovanja i dubina bita?

Riješenje:

Formula za izračunavanje frekvencije uzorkovanja i dubine bita: D* I =A/T

(kapacitet memorije u bajtovima) : (vrijeme zvuka u sekundama):

2,6 MB = 2726297,6 bajtova

D* I =A/T= 2726297,6 bajtova: 60 = 45438,3 bajtova

D=45438,3 bajta: I

Širina adaptera može biti 8 ili 16 bita. (1 bajt ili 2 bajta). Stoga frekvencija uzorkovanja može biti ili 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz-standardna karakteristična frekvencija uzorkovanja, ili 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- standardna karakteristična stopa uzorkovanja

Odgovor:

	Učestalost uzorkovanja	Kapacitet audio adaptera
1 opcija	22,05 kHz	16 bita
opcija 2	44,1 kHz	8 bita

4. Volumen slobodna memorija na disku - 5,25 MB, dubina bita zvučne kartice - 16. Koje je trajanje zvuka digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 22,05 kHz?

Riješenje:

Formula za izračunavanje trajanja zvuka: T=A/D/I

(kapacitet memorije u bajtovima) : (frekvencija uzorkovanja u Hz) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima):

5,25 MB = 5505024 bajta

5505024 bajta: 22050 Hz: 2 bajta = 124,8 s
Odgovor: 124,8 sekundi

5. Jedna minuta snimanja digitalne audio datoteke zauzima 1,3 MB prostora na disku, kapacitet zvučne kartice je 8 bitova. Kojom brzinom uzorkovanja se snima zvuk?

Riješenje:

Formula za izračunavanje brzine uzorkovanja: D = A/T/I

(kapacitet memorije u bajtovima) : (vrijeme snimanja u sekundama) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima)

1,3 MB = 1363148,8 bajtova

1363148,8 bajtova: 60:1 = 22719,1 Hz

Odgovor: 22,05 kHz

6. Dvije minute snimanja digitalne audio datoteke zauzimaju 5,1 MB prostora na disku. Frekvencija uzorkovanja - 22050 Hz. Kolika je bitna dubina audio adaptera?

Riješenje:

Formula za izračunavanje dubine bita: (kapacitet memorije u bajtovima): (vrijeme zvuka u sekundama): (frekvencija uzorkovanja):

5,1 MB= 5347737,6 bajtova

5347737,6 bajta: 120 sek: 22050 Hz= 2,02 bajta = 16 bita

Odgovor: 16 bita

7. Količina slobodne memorije na disku je 0,01 GB, dubina bita zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 44100 Hz?

Riješenje:

Formula za izračunavanje trajanja zvuka T=A/D/I

(kapacitet memorije u bajtovima) : (frekvencija uzorkovanja u Hz) : (kapacitet zvučne kartice u bajtovima)

0,01 GB = 10737418,24 bajta

10737418,24 bajtova: 44100: 2 = 121,74 sek = 2,03 min
Odgovor: 20,3 minuta

8. Procijenite glasnoću informacija mono audio datoteke sa trajanjem zvuka od 1 minute. ako su "dubina" kodiranja i frekvencija uzorkovanja audio signala jednake:
a) 16 bita i 8 kHz;
b) 16 bita i 24 kHz.

Riješenje:

A).

16 bita x 8 000 = 128 000 bita = 16 000 bajtova = 15,625 KB/s

15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

b).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 24 000 = 384 000 bita = 48 000 bajtova = 46,875 KB/s
2) Informacijski volumen zvučne datoteke u trajanju od 1 minute jednak je:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

Odgovor: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB

Razina "5"

Koristi se tablica 1

9. Koliko je memorije potrebno za pohranjivanje digitalne audio datoteke s visokokvalitetnim zvučnim zapisom, uz uvjet da je vrijeme reprodukcije 3 minute?

Riješenje:

Visoka kvaliteta zvuk se postiže na frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i dubini bita audio adaptera od 16.
Formula za izračunavanje kapaciteta memorije: (vrijeme snimanja u sekundama) x (kapacitet zvučne kartice u bajtovima) x (učestalost uzorkovanja):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bajtova = 15,1 MB
Odgovor: 15,1 MB

10. Digitalna audio datoteka sadrži audio zapis niske kvalitete (zvuk je taman i prigušen). Kolika je duljina trajanja datoteke ako je njezina veličina 650 KB?

Riješenje:

Sljedeći parametri tipični su za tmuran i prigušen zvuk: frekvencija uzorkovanja - 11,025 KHz, dubina bita audio adaptera - 8 bita (vidi tablicu 1). Tada je T=A/D/I. Pretvorimo volumen u bajtove: 650 KB = 665600 bajtova

T=665600 bajtova/11025 Hz/1 bajt ≈60,4 s

Odgovor: trajanje zvuka je 60,5 s

Riješenje:

Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 48 000 x 2 = 1 536 000 bita = 187,5 KB (pomnoženo s 2, od stereo).

Informacijski volumen zvučne datoteke u trajanju od 1 minute jednak je:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Odgovor: 11 MB

Odgovor: a) 940 KB; b) 2,8 MB.

12. Izračunajte vrijeme reprodukcije mono audio datoteke ako je, uz 16-bitno kodiranje i frekvenciju uzorkovanja od 32 kHz, njezina glasnoća jednaka:
a) 700 KB;
b) 6300 KB

Riješenje:

A).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:


700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

b).
1) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 32 000 = 512 000 bita = 64 000 bajtova = 62,5 KB/s
2) Vrijeme reprodukcije mono audio datoteke od 700 KB je:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 min

Odgovor: a) 10 sekundi; b) 1,5 min.

13. Izračunajte koliko bajtova informacija zauzima jedna sekunda stereo zapisa na CD-u (frekvencija 44032 Hz, 16 bita po vrijednosti). Koliko traje jedna minuta? Koliki je maksimalni kapacitet diska (pod pretpostavkom maksimalnog trajanja od 80 minuta)?

Riješenje:

Formula za izračunavanje veličine memorije A= D* T* ja:
(vrijeme snimanja u sekundama) * (kapacitet zvučne kartice u bajtovima) * (frekvencija uzorkovanja). 16 bita -2 bajta.
1) 1s x 2 x 44032 Hz = 88064 bajta (1 sekunda stereo CD snimanja)
2) 60s x 2 x 44032 Hz = 5283840 bajtova (1 minuta stereo CD snimanja)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bajtova = 412800 KB = 403,125 MB (80 minuta)

Odgovor: 88064 bajtova (1 sekunda), 5283840 bajtova (1 minuta), 403,125 MB (80 minuta)

2. Određivanje kvalitete zvuka.

Da biste odredili kvalitetu zvuka, morate pronaći frekvenciju uzorkovanja i koristiti tablicu br. 1

256 (2 8) razina intenziteta signala - kvaliteta zvuka radijske emisije, korištenjem 65536 (2 16) razina intenziteta signala - kvaliteta zvuka audio CD-a. Najkvalitetnija frekvencija odgovara glazbi snimljenoj na CD-u. Veličina analognog signala mjeri se u ovom slučaju 44.100 puta u sekundi.

Razina "5"

13. Odredite kvalitetu zvuka (kvaliteta radijskog prijenosa, prosječna kvaliteta, audio CD kvaliteta) ako je poznata glasnoća mono audio datoteke sa trajanjem zvuka od 10 sekundi. jednak:
a) 940 KB;
b) 157 KB.

(, str. 76, br. 2.83)

Riješenje:

A).
1) 940 KB = 962560 bajtova = 7700480 bitova
2) 7700480 bita: 10 s = 770048 bita/s
3) 770048 bps: 16 bita = 48128 Hz - frekvencija uzorkovanja - blizu najviših 44,1 kHz
Odgovor: Audio CD kvaliteta

b).
1) 157 KB = 160768 bajtova = 1286144 bita
2) 1286144 bita: 10 s = 128614,4 bita/s
3) 128614,4 bps: 16 bita = 8038,4 Hz
Odgovor: kvaliteta emitiranja

Odgovor: a) kvaliteta CD-a; b) kvaliteta radijskog emitiranja.

14. Odredite duljinu audio datoteke koja će stati na 3,5” disketu. Imajte na umu da je 2847 sektora od 512 bajtova dodijeljeno za pohranu podataka na takvu disketu.
a) s niskom kvalitetom zvuka: mono, 8 bita, 8 kHz;
b) s visokom kvalitetom zvuka: stereo, 16 bita, 48 kHz.

(, str. 77, br. 2.85)

Riješenje:

A).



8 bita x 8000 = 64000 bita = 8000 bajtova = 7,8 KB/s
3) Vrijeme reprodukcije mono audio datoteke veličine 1423,5 KB jednako je:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 min

b).
1) Informacijski volumen diskete jednak je:
2847 sektora x 512 bajtova = 1457664 bajtova = 1423,5 KB
2) Glasnoća zvučne datoteke u trajanju od 1 sekunde jednaka je:
16 bita x 48 000 x 2 = 1 536 000 bita = 192 000 bajtova = 187,5 KB/s
3) Vrijeme reprodukcije stereo audio datoteke veličine 1423,5 KB jednako je:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s

Odgovor: a) 3 minute; b) 7,6 sekundi.

3. Binarno audio kodiranje.

Pri rješavanju zadataka koristi se sljedećim teorijskim materijalom:

Za kodiranje zvuka, analogni signal prikazan na slici

ravnina je podijeljena na okomite i horizontalne linije. Vertikalna particija je uzorkovanje analognog signala (frekvencija mjerenja signala), horizontalna je particija kvantizacija po razini. Oni. Što je mreža finija, to je bolja aproksimacija analognog zvuka pomoću brojeva. Osmobitna kvantizacija koristi se za digitalizaciju običnog govora ( telefonski razgovor) i radijske emisije na kratkim valovima. Šesnaest-bitni - za digitalizaciju glazbe i VHF (ultra-kratkih valova) radijskih emisija.

Razina "3"

15. Analogni audio signal prvo je uzorkovan korištenjem 256 intenziteta signala (kvaliteta emitiranog zvuka), a zatim korištenjem 65 536 intenziteta signala (kvaliteta zvuka audio CD-a). Koliko se puta razlikuju glasnoće informacija digitaliziranog zvuka? (, str. 77, br. 2.86)

Riješenje:

Duljina koda analognog signala koji koristi 256 razina intenziteta signala je 8 bita, a koristi 65536 razina intenziteta signala je 16 bita. Budući da se duljina koda jednog signala udvostručila, volumen informacija digitaliziranog zvuka razlikuje se za faktor 2.

Odgovor: 2 puta.

Razina "4"

16. Prema Nyquist-Kotelnikovom teoremu, da bi se analogni signal mogao točno rekonstruirati iz njegove diskretne reprezentacije (iz njegovih uzoraka), frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od maksimalne audio frekvencije ovog signala.

• Koja bi trebala biti brzina uzorkovanja zvuka koji čovjek može osjetiti?
• Što bi trebalo biti veće: brzina uzorkovanja govora ili brzina uzorkovanja simfonijskog orkestra?

Cilj: Upoznati studente sa karakteristikama hardvera i softvera za rad sa zvukom. Vrste aktivnosti: privlačenje znanja iz tečaja fizike (ili rad s referentnim knjigama). (, str. ??, zadatak 2)

Riješenje:

Vjeruje se da je raspon frekvencija koje ljudi čuju od 20 Hz do 20 kHz. Dakle, prema Nyquist-Kotelnikovom teoremu, da bi se analogni signal mogao točno rekonstruirati iz njegove diskretne reprezentacije (iz njegovih uzoraka), Brzina uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od maksimalne frekvencije zvuka tog signala. Maksimalna frekvencija zvuka koju osoba može čuti je 20 KHz, što znači da uređaj ra i softver mora osigurati frekvenciju uzorkovanja od najmanje 40 kHz, točnije 44,1 kHz. Računalna obrada zvuka simfonijskog orkestra uključuje više visoka frekvencija uzorkovanje nego obrada govora, budući da je frekvencijski raspon u slučaju simfonijskog orkestra mnogo veći.

Odgovor: ne manje od 40 kHz, frekvencija uzorkovanja simfonijskog orkestra je veća.

Razina "5"

17. Na slici je prikazan zvuk 1 sekunde govora snimljen diktafonom. Kodirajte ga u binarnom digitalnom kodu s frekvencijom od 10 Hz i duljinom koda od 3 bita. (, str. ??, zadatak 1)

Riješenje:

Kodiranje na 10 Hz znači da moramo mjeriti visinu tona 10 puta u sekundi. Izaberimo ekvidistantne trenutke vremena:

Duljina koda od 3 bita znači 2 3 = 8 razina kvantizacije. Odnosno, kao numerički kod za visinu zvuka u svakom odabranom trenutku u vremenu, možemo postaviti jednu od sljedećih kombinacija: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Postoji samo 8 od stoga se visina zvuka može mjeriti na 8 "razina":

"Zaokružit ćemo" vrijednosti visine tona na najbližu nižu razinu:

Korištenje ovu metodu kodiranjem dobivamo sljedeći rezultat (razmaci su uključeni radi lakše percepcije): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Bilješka. Preporučljivo je skrenuti pozornost učenika na to koliko netočno kod prenosi promjenu amplitude. To jest, brzina uzorkovanja od 10 Hz i razina kvantizacije od 2 3 (3 bita) su premali. Obično se za zvuk (glas) bira frekvencija uzorkovanja od 8 kHz, tj. 8000 puta u sekundi, i razina kvantizacije od 2 8 (kod dug 8 bita).

Odgovor: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Objasnite zašto je razina kvantizacije, uz frekvenciju uzorkovanja, glavna karakteristika reprezentacije zvuka u računalu. Ciljevi: učvrstiti razumijevanje učenika o pojmovima "točnost prikaza podataka", "pogreška mjerenja", "pogreška prikazivanja"; Pregledajte s učenicima binarno kodiranje i duljinu koda. Vrsta aktivnosti: rad s definicijama pojmova. (, str. ??, zadatak 3)

Riješenje:

U geometriji, fizici i tehnologiji postoji koncept "točnosti mjerenja", koji je usko povezan s konceptom "pogreške mjerenja". Ali postoji i koncept "preciznost prikazivanja". Na primjer, o visini osobe možemo reći da je: a) oko. 2 m, b) nešto više od 1,7 m, c) jednako 1 m 72 cm, d) jednako 1 m 71 cm 8 mm. To jest, 1, 2, 3 ili 4 znamenke mogu se koristiti za označavanje izmjerene visine.
Isto vrijedi i za binarno kodiranje. Ako se samo 2 bita koriste za snimanje visine zvuka u određenom trenutku, tada, čak i ako su mjerenja bila točna, mogu se prenijeti samo 4 razine: niska (00), ispod prosjeka (01), iznad prosjeka ( 10), visoka (11). Ako koristite 1 bajt, možete prenijeti 256 razina. Kako višu razinu kvantizacije, ili, što je isto što i Što je više bitova dodijeljeno za snimanje izmjerene vrijednosti, to se ta vrijednost točnije prenosi.

Bilješka. Treba napomenuti da mjerni instrument također mora podržavati odabranu razinu kvantizacije (nema smisla prikazivati ​​duljinu izmjerenu ravnalom s decimetarskim podjelama s točnošću do milimetra).

Cilj. Razumjeti proces pretvorbe zvučne informacije, ovladati pojmovima potrebnim za izračunavanje glasnoće zvučne informacije. Naučite rješavati probleme na temu.

Cilj-motivacija. Priprema za jedinstveni državni ispit.

Plan učenja

1. Pogledajte prezentaciju o temi s komentarima nastavnika. Prilog 1

Prezentacijski materijal: Kodiranje audio informacija.

Od ranih 90-ih osobnih računala dobio priliku raditi s audio informacijama. Svako računalo koje ima zvučnu karticu, mikrofon i zvučnike može snimati, spremati i reproducirati audio informacije.

Proces pretvaranja zvučnih valova u binarni kod u memoriji računala:

Proces reprodukcije audio informacija pohranjenih u memoriji računala:

Zvuk je zvučni val s kontinuiranom promjenom amplitude i frekvencije. Što je veća amplituda, to je glasniji za osobu; što je veća frekvencija signala, to je viši ton. Računalni softver sada omogućuje pretvaranje kontinuiranog audio signala u niz električnih impulsa koji se mogu prikazati binarni oblik. U procesu kodiranja kontinuiranog audio signala, to je vremensko uzorkovanje . Kontinuirani zvučni val podijeljen je u zasebne male privremene dijelove, a za svaki takav dio postavljena je određena vrijednost amplitude.

Dakle, kontinuirana ovisnost amplitude signala o vremenu Na) zamjenjuje se diskretnim nizom razina glasnoće. Na grafikonu to izgleda kao zamjena glatke krivulje nizom "koraka". Svakom "koraku" dodijeljena je vrijednost razine glasnoće zvuka, njegov kod (1, 2, 3 itd.

Unaprijediti). Razine glasnoće zvuka mogu se smatrati skupom mogućih stanja; prema tome, što je više razina glasnoće dodijeljeno tijekom procesa kodiranja, to će vrijednost svake razine nositi više informacija i zvuk će biti bolji.

Audio adapter ( zvučna kartica) je poseban uređaj spojen na računalo, dizajniran za pretvaranje električnih vibracija audio frekvencije u numerički binarni kod prilikom unosa zvuka i za obrnutu konverziju (iz numeričkog koda u električne vibracije) prilikom reprodukcije zvuka.

U procesu snimanja zvuka, audio adapter mjeri amplitudu električne struje s određenim periodom i upisuje binarni kod dobivene vrijednosti u registar. Zatim se dobiveni kod iz registra prepisuje u RAM računala. Kvaliteta zvuka računala određena je karakteristikama audio adaptera:

• Učestalost uzorkovanja
• Dubina bita (dubina zvuka).

Brzina uzorkovanja vremena

Ovo je broj mjerenja ulaznog signala u 1 sekundi. Frekvencija se mjeri u hercima (Hz). Jedno mjerenje u sekundi odgovara frekvenciji od 1 Hz. 1000 mjerenja u 1 sekundi – 1 kilohertz (kHz). Uobičajene stope uzorkovanja audio adaptera:

11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz, itd.

Širina registra (dubina zvuka) je broj bitova u registru audio adaptera koji određuje broj mogućih razina zvuka.

Dubina bita određuje točnost mjerenja ulaznog signala. Što je dubina bita veća, to je manja pogreška svake pojedinačne pretvorbe vrijednosti električnog signala u broj i natrag. Ako je dubina bita 8 (16), tada se pri mjerenju ulaznog signala mogu dobiti 2 8 = 256 (2 16 = 65 536) različite vrijednosti. Očito je da 16-bitni audio adapter kodira i reproducira zvuk točnije od 8-bitnog. Moderne zvučne kartice omogućuju 16-bitnu dubinu audio kodiranja. Broj različitih razina signala (stanja za određeno kodiranje) može se izračunati pomoću formule:

N = 2 I = 2 16 = 65536, gdje je I dubina zvuka.

Dakle, moderne zvučne kartice mogu osigurati kodiranje 65536 razina signala. Svakoj vrijednosti amplitude audio signala dodijeljen je 16-bitni kod. Na binarno kodiranje Kontinuirani audio signal zamjenjuje se nizom diskretnih razina signala. Kvaliteta kodiranja ovisi o broju mjerenja razine signala u jedinici vremena, tj stope uzorkovanja.Što se više mjerenja napravi u 1 sekundi (što je veća frekvencija uzorkovanja, točniji je postupak binarnog kodiranja.

Zvučna datoteka - datoteka koja pohranjuje audio informacije u numeričkom binarnom obliku.

2. Ponoviti mjerne jedinice informacija

1 bajt = 8 bita

1 KB = 210 bajtova = 1024 bajta

1 MB = 2 10 KB = 1024 KB

1 GB = 2 10 MB = 1024 MB

1 TB = 2 10 GB = 1024 GB

1 PB = 2 10 TB = 1024 TB

3. Učvrstiti naučeno gradivo gledanjem prezentacije ili udžbenika

4. Rješavanje problema

Udžbenik, pokazivanje rješenja na prezentaciji.

Zadatak 1. Odredite glasnoću informacija stereo audio datoteke s trajanjem zvuka od 1 sekunde uz visoku kvalitetu zvuka (16 bita, 48 kHz).

Zadatak (samostalno). Udžbenik, pokazivanje rješenja na prezentaciji.
Odredite informacijski volumen digitalne audio datoteke sa zvukom u trajanju od 10 sekundi pri frekvenciji uzorkovanja od 22,05 kHz i razlučivosti od 8 bita.

5. Konsolidacija. Rješavanje problema kod kuće, samostalno na sljedećem satu

Odredite količinu memorije za pohranu digitalne audio datoteke, čije je vrijeme reprodukcije dvije minute pri frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i razlučivosti od 16 bita.

Korisnik ima kapacitet memorije od 2,6 MB. Potrebno je snimiti digitalnu audio datoteku u trajanju zvuka od 1 minute. Kolika bi trebala biti frekvencija uzorkovanja i dubina bita?

Količina slobodne memorije na disku je 5,25 MB, dubina bita zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 22,05 kHz?

Jedna minuta snimanja digitalne audio datoteke zauzima 1,3 MB prostora na disku, a kapacitet zvučne kartice je 8 bitova. Kojom brzinom uzorkovanja se snima zvuk?

Koliko je memorije potrebno za pohranu digitalne audio datoteke visoke kvalitete s vremenom reprodukcije od 3 minute?

Digitalna audio datoteka sadrži audio zapis niske kvalitete (zvuk je taman i prigušen). Kolika je duljina trajanja datoteke ako je njezina veličina 650 KB?

Dvije minute snimanja digitalne audio datoteke zauzimaju 5,05 MB prostora na disku. Frekvencija uzorkovanja - 22.050 Hz. Kolika je bitna dubina audio adaptera?

Količina slobodne memorije na disku je 0,1 GB, bitna dubina zvučne kartice je 16. Koliko traje zvuk digitalne audio datoteke snimljene s frekvencijom uzorkovanja od 44 100 Hz?

Odgovori

Broj 92. 124,8 sekundi.

broj 93. 22.05 kHz.

Br. 94. Visoka kvaliteta zvuka postiže se frekvencijom uzorkovanja od 44,1 kHz i dubinom bita audio adaptera od 16. Potrebna veličina memorije je 15,1 MB.

Br. 95. Sljedeći parametri tipični su za tmuran i prigušen zvuk: frekvencija uzorkovanja - 11 kHz, dubina bita audio adaptera - 8. Trajanje zvuka je 60,5 s.

broj 96. 16 bita.

broj 97. 20,3 minute.

Književnost

1. Udžbenik: Informatika, problemska knjiga-radionica, svezak 1, ur. I.G. Semakin, E.K. Henner)

2. Festival pedagoških ideja “Otvoreni sat” Zvuk. Binarno kodiranje audio informacija. Supryagina Elena Aleksandrovna, učiteljica informatike.

3. N. Ugrinovich. Računalstvo i informacijska tehnologija. 10-11 razreda. Moskva. Binomni. Laboratorij znanja 2003.