Словарь цифрового звука

Copyright © 2017, Taras Kovrijenko

Полное или частичное копирование текста допускается только с письменного разрешения автора.

PCM (ИКМ): Pulse Code Modulation (Импульсно-Кодовая Модуляция), самый распространенный метод представления сигнала в цифровом виде. Для кодирования в PCM аналогового сигнала используется аналого цифровой преобразователь (АЦП), который с заданной частотой (называемой частотой дискретизации) замеряет уровень входного сигнала и записывает его в виде последовательности бит (0 или 1). При этом точность измерения уровня обычно равна 8, 16, 32 или 64 битам. В итоге получаем последовательность семплов (на осциллограмме их можно изобразить в виде точек через равные промежутки), уровень которых задан группами по 8, 16, 32 или 64 бит. Подав такую последовательность на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), после расчета промежуточных между семплами значений (апсемплинг и интерполяция), мы получим гладкий аналоговый сигнал, степень соответствия которого исходному зависит главным образом от частоты дискретизации и разрядности квантования.

Амплитуда (колебаний): модуль отклонения колеблющегося значения от положения равновесия. При этом отклонения могут быть как положительные, так и отрицательные. Обычно применяется только для гармонических колебаний.
В акустических измерениях амплитуда чаще всего измеряется в децибелах (дБ). При измерении амплитуды звуковых колебаний (в воздушной среде) используется величина dBSPL, опорная величина здесь — порог слышимости человека (20 мкПа). В цифровом звуке используется величина dBFS, где опорной является максимальная амплитуда, соответствующая 0 dBFS, а более низкие амплитуды имеют знак «минус».

АЦП: аналого-цифровой преобразователь. Используется для записи аналогового сигнала (снимаемого в виде напряжения или тока) в цифровом виде. Устанавливается, например, в тракте записи звуковой карты.

АЧХ: амплитудно-частотная характеристика, графическое изображение зависимости относительного коэффициента передачи (для одного или нескольких звеньев тракта) от частоты сигнала. Например, по АЧХ наушников можно определить, какие частотные составляющие у них будут иметь большую, а какие меньшую громкость. Идеальной АЧХ является прямая горизонтальная линия.

Битрейт: скорость потока данных, т. е., количество данных, содержащихся в секунде потока. Измеряется в килобитах на секунду (Кб/с). Килобит не равен килобайту (КБ) и кибибайту (КиБ, последние два постоянно путают даже авторитетные источники, читайте статью по теме на Habrahabr), килобит равен 1000 бит, а бит — это 1/8 байта. Т. к. 1 кибибайт = 1024 байт, то, например, 128 Кб/с будет соответствовать 15,625 КиБ/с. Битрейт 128 Кб/с означает, что одна минута аудио будет весить чуть менее 1 МиБ (937,5 КиБ).
Для несжатого PCM (ИКМ) аудио битрейт очень легко рассчитать: битрейт = количество каналов × количество бит на семпл × количество семплов в секунду.
Например, для Audio CD (в т. ч. для PCM WAV рипа) это будет: 2 (канала) × 16 (бит на каждый семпл) × 44100 (семплов в секунду) = 1411200 (б/с) = 1411.2 Кб/с.
При этом стоит подчеркнуть, что битрейт сжатого аудио (lossy или lossless) не является показателем качества.

Глубина квантования (глубина бит, bit depth, разрядность): точность, с которой выполняется квантование по амплитуде. Например, глубина квантования 16 бит означает, что амплитуда сигнала в цифровом представлении сможет принимать 2^16=65536 значений (от -32768 до 32767). Чем больше глубина квантования, тем меньше разница между соседними значениями, и тем меньше уровень шумов квантования.

Децибел (дБ, dB): логарифмическая единица, относительная величина (как, например, разы). Численное значение величины, измеряемой в дБ логарифмически зависит от того, во сколько раз измеряемая величина больше опорной. Например,уровень 3 дБ означает, что измеряемая величина больше опорной примерно в два раза.
Опорная величина присутствует всегда и зависит (как по размерности, так и по численному значению) от области измерений. Уровень в дБ вычисляется по формуле: 20^{log(U_изм/U_опорн)} (для мощности коэффициент равен 10, т. к. аргумент логарифма фактически возводится в квадрат). В децибелах удобно измерять, например, громкость (в т. ч. уровень звукового давления), т. к. воспринимаемое ухом увеличение громкости пропорционально не приращению амплитуды, а именно логарифму множителя (определяющему, во сколько раз увеличилась амплитуда).
В зависимости от опорной величины, используются следующие обозначения громкости: dbSPL (громкость, или уровень звукового давления, опорный уровень — порог слышимости человека, 20 мкПа), dBFS («full scale» — «полная шкала», опорный уровень — максимум для цифрового представления).

Динамический диапазон: характеристика, определяющая диапазон уровней, в пределах которого может изменяться громкость сигнала. Относиться может как к сигналу (разница между самым высоким и самым тихим звуком в записи, выраженная в дБ), так и к тракту (разница между самым высоким уровнем громкости и уровнем шумов). Например, динамический диапазон оркестра достигает 80 дБ, Audio CD же может описывать звуки в диапазоне примерно 96 дБ. Динамический диапазон человеческого уха составляет 120—140 дБ (расстояние от порога слышимости до болевого порога). Т. е., если вы слушаете в филармонии симфонический оркестр, самые тихие инструменты могут играть с уровнем звукового давления 30 dBSPL, а в самые громкие моменты уровень давления может достигать 110 dBSPL.

Джиттер (jitter): отклонения времени следования отдельных семплов от номинального (при передаче цифрового потока). Возникают, например, при передаче семплов на цифро-аналоговый преобразователь (из-за нестабильности частоты такового генератора). Результатом джиттера является внесение в сигнал двух дополнительных составляющих, отличающихся по частоте от полезного сигнала на величину частоты джиттера. Следует отметить, что в тракте персонального компьютера джиттер может возникнуть исключительно на этапе тактовки семплов на ЦАП задающим генератором звуковой карты, и повлиять на величину этого джиттера программными средствами невозможно.

Дизеринг, дитеринг: от англ. «dither» («дрожать»), специальный приём, который используется при понижении разрядности цифрового звука (например, во время преобразования студийной 24-битной записи в обычную 16-битную). Приём заключается в подмешивании к исходному сигналу (в последний для получаемой разрядности бит) перед округлением случайного шума (dither). Это приводит к понижению слышимых искажений маломощных составляющих сигнала, однако добавляет к нему небольшой (обычно неслышный) шум. Используя совместно с дизерингом технологию noise shaping (формовка шума), этот шум можно в значительной степени перевести в ВЧ область, где порог слышимости человека намного выше.

Квантование (дискретизация): описание значений некоторой дискретной величины с помощью приближенных значений (с фиксированной точностью). Примером может быть создание цифровой фотографии, которая разбита на отдельные пиксели. В цифровом звуке существует квантование по амплитуде и квантование по времени (в этом случае чаще применяют слово «дискретизация») — оба этих процесса выполняет аналого-цифровой преобразователь. Квантование по амплитуде подразумевает, что она сможет принимать только конкретные значения, например, при 16-битном квантовании — это значения от -32768 до 32767 (всего 2¹⁶ = 65536 значений). Квантование по времени означает, что амплитуда будет замеряться через определенные промежутки времени, определяемые частотой квантования (семплирования, дискретизации).

Клиппинг: явление в цифровом звуке, когда рассчитанное значение уровня семплов цифрового аудио превышает максимальный уровень, который можно описать при данном представлении сигнала. Является аналогом перегрузки в усилителях (при достижении напряжения насыщения усилительных элементов), или же перегрузки динамиков (когда диффузору уже некуда больше отклоняться). На слух глубокий клиппинг воспринимается как неприятные искажения, рыпение. Подробнее можно почитать здесь.

Ресемплер (преобразователь частоты дискретизации): цифровой обработчик, выполняющий преобразование частоты семплирования (дискретизации по времени) — например, путем создания промежуточных семплов (апсемплинг — повышение частоты дискретизации) и последующей фильтрации.

ЦАП: цифро-аналоговый преобразователь. Выполняет обратное АЦП преобразование — восстанавливает по мгновенным значениям (семплам) гладкий аналоговый сигнал.

Частота дискретизации: частота, с которой АЦП выполняет квантование по времени (т. е., периодичность замеров уровня входного аналогового сигнала).

Частотный диапазон: диапазон, в котором лежат все составляющие какого-либо сигнала. Также может выступать характеристикой тракта. Например, профессиональная аудиотехника обязана иметь частотный диапазон 20—20000 Гц, причем в данном случае за частотный диапазон берется отрезок, на котором отклонение АЧХ от среднего значения (обычно это значение на частоте 1000 Гц) не превышает ±3 дБ.

Словарь цифрового звука

Информация от спонсора