Digitálny zvuk

Ostatné » Informatika

Autor: Dievča diana
Typ práce: Referát
Dátum: 30.09.2014
Jazyk: Slovenčina
Rozsah: 1 330 slov
Počet zobrazení: 6 029
Tlačení: 343
Uložení: 319
Digitálny zvuk
Zvuk je pozdĺžne mechanické vlnenie s istou vlnovou dĺžkou a teda odpovedajúcou frekvenciou, s istou farbou a intenzitou (hlasitosťou). Zvuk je spojitá - analógová informácia. Harmonický zvuk (napr. komorné "a") môžeme znázorniť sínusoidou. Počítače však vedia spracovávať len digitálne informácie.

Prevod zvuku z analógovej podoby do digitálnej zabezpečuje A/D - analógovo - digitálny prevodník. Najrozšírenejšia forma kódovania je pulzná kódová modulácia - PCM. Než sa z analógového signálu stane PCM zvuk, musí najprv prejsť vzorkovaním, kvantovaním a kódovaním.
VZORKOVANIE: Vzorkovač zaznamenáva aktuálne hodnoty analógového signálu v pravidelných intervaloch s istou frekvenciou napr. pri frekvencii 10kHz sa zaznamená hodnota signálu 10 000 krát za sekundu. Vyniká signál PAM - pulzná amplitúdová modulácia.
 
Vzorkovacia frekvencia (Sampling rate)
Aby sa dal vzorkovaný signál PAM pri reprodukcii plne zrekonštruovať, musí byť splnené tzv. "Nyquistovo kritérium" : frekvencia, ktorou sa vzorkovanie prevádza, musí byť aspoň 2-krát vyššia ako frekvencia pôvodného signálu. Ak je počuteľný zvuk od 16 - 20 000Hz, tak vzorkovacia frekvencia  musí byť aspoň 40kHz. V praxi sa vzorkuje s 10% navýšením, preto sa používa  vzorkovacia frekvencia 44,1kHz.
KVANTOVANIE: Kvantovaním sa namerané hodnoty "zaokrúhľujú" na najbližšiu úroveň amplitúdy každej vzorky , preto má digitálny signál na rozdiel od analógového schodovitý priebeh.

KÓDOVANIE: Pri kódovaní zvuku hudobného CD sa používa 16 bitové kódovanie - t.z. že každú vzorku zakódujeme 16 - ticou jednotiek a núl - všetkých možných napäťových úrovní signálu teda môže byť 216=65536 (hovor v telefóne je kódovaný 8 bitmi - rozlišuje 256 napäťových úrovní). V prípade stereofónneho signálu sa používajú 2 kanály a výstupom sú 2 prúdy digitálnych hodnôt. Pre porovnanie uvádzame nasledujúcu tabuľku:
 

Kvalita digitálneho záznamu

vzorkovacia frekvencia

rozlíšenie, kanály

Telefónna kvalita

11 025 Hz

8 bit - mono

Rozhlasová kvalita

22 050 Hz

8 bit - mono

CD kvalita

44 100 Hz

16 bit - stereo

DVD kvalita

192 000 Hz

24 bit - 5.1 surround sound


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PRÍKLAD: Ak chceme zakódovať 1 minútu stereo nahrávky s použitím vzorkovacej frekvencie CD kvality, tak takýto PCM zvuk bude zaberať 60x2x44100x16 bitov čo je asi 10MB pamäte.
Čím je vyššia vzorkovacia frekvencia, tým kvalitnejší zvuk získame. Doteraz najkvalitnejší zvuk v CD kvalite so vzorkovacou frekvenciou 44,1kHz, 16bit stereo je prekonaný formátom DVD-Audio, kde vzorkovaia frekvencia je až 192kHz s 24 bitovým rozlíšením.
  
Charakteristika  a základné parametre digitálneho signálu
Bitová hĺbka ................................... 8 bit, 16 bit, 24 bit,
Vzorkovacia frekvencia................. 44 100 Hz, 48 000 Hz, 88 200 Hz, 96000 Hz,
Počet kanálov................................. 1(mono), 2(stereo), multikanálové nahrávanie
Bitová hĺbka je vlastne počet stavov, ktoré v jednom okamihu pri vzorkovaní môžu byť rozlíšené. Napríklad pri 8 bitoch to je 28 teda 256 rôznych úrovní intenzity signálu, 128 úrovní pre kladnú polvlnu a 128 úrovní pre zápornú polvlnu. Signál nadobúda jednu z hodnôt od -127 do 128 (0 žiadny signál a -127,128 maximálna hodnota signálu). Bitová hĺbka výrazne ovplyvňuje dva parametre dôležité pre nahrávanie digitálneho signálu a to dynamiku a odstup signál/šum. Hudba na CD nosičoch má 16 bitovú hĺbku, hudba na DVD nosičoch má24 bitovú hĺbku. Väčšina softwaru podporuje import a export do 24 . AD/DA prevodníky niektorých zvukových kariet, prípadne digitálnych mixážnych pultov majú bitové rozlíšenie 18 bitov alebo 20 bitov. Dokonca niektoré špičkové masteringové procesory pracujú interne 48 bitovo.
Vzorkovacia frekvencia je počet snímaní úrovne signálu za jednu sekundu. Pri vzorkovacej frekvencii 44100 Hz to znamená , že A/D prevodník za 1 sekundu zistí 44100 krát úroveň privádzaného signálu a zaznamená hodnotu odpovedajúcu úrovni signálu v danom okamžiku. Platí pravidlo, že analógový signál nesmie obsahovať frekvencie vyššie ako je polovica vzorkovacej frekvencie, v opačnom prípade by dochádzalo k aliasingu, tzv. skresleniu. Pri vzorkovacej frekvencii 44 100 Hz je najvyššia možná zaznamenateľná frekvencia 22 500 Hz. Pre multimediálne aplikácie sa používajú vzorkovacie frekvencie od   8 000 Hz do 44 100 Hz. Pre štúdiové nahrávanie sa používajú frekvencie 88 200 Hz a   96 000 Hz. Niektoré softwarové aplikácia podporujú dokonca vzorkovaciu frekvenciu 192000 Hz. Frekvencia 48000 Hz sa používa na DAT rekordéroch a Minidiskoch.
Dynamika je to rozsah medzi najhlasnejšou a najtichšou úrovňou v nahrávanom signáli. Dynamický rozsah ľudského ucha je od 0dB (prah počuteľnosti) do 120dB (prah bolesti). Ak chceme dosiahnuť čo najväčšiu dynamiku signálu, tak by sa mali špičky nahrávaného signálu pohybovať mierne pod najvyššou hodnotou signálu aby nedošlo k skresleniu (digitálna nula).
Vzorce:
Výpočet kapacity, ktorú potrebujeme na uloženie 1 minúty v danom formáte:
(počet bitov * vzorkovacia frekvencia * počet kanálov * 60) / 8388608=.............MB)
 
Výpočet dátového toku pre určitý počet prehratých stôp v určitej kvalite:
(počet stôp * počet bitov * vzorkovacia frekvencia * počet kanálov jednej stopy ) / 8388608 =.............MB/s)
Formáty zvuku
.wav - The Waveform Audio File. Vyvinul Microsoft. Dnes sa používa ako univerzálny formát. Dáta vnútri sú neskomprimované navzorkované zvuky podobne ako na Audio CD. Zvuk môže byť mono či stereo, s rôznou frekvenciou vzorkovania a bitovou hĺbkou 8 alebo 16 bitov. CD kvalita je Stereo, 44100 Hz, 16 b. Formát sa nehodí pre prenos súborov cez Internet, pretože sú príliš veľké.
( Ak meranie napäťových úrovní analógového signálu prebehlo približne 44 000 krát, tak na osi y vznikne nameraných okolo 65 000 rôznych hodnôt. Z toho dôvodu minútová nahrávka zaberá viac ako 10 MB pamäte)
Súbory WAV v rovnakej kvalite ako CD sa dajú získať grabovaním (ripovaním) z CD (čo je bezstratové)
.cda - klasický CD formát. Väčšinou sa vyskytuje v podobe 44,1 kHz, 16-bit,stereo, nekomprimovaný. Môže sa vyskytovať aj formát s polovičnou vzorkovacou frekvenciou, samozrejme vždy je bez kompresii, čo je jeho hlavný nedostatok.
.mid, .midi - Musical Instrument Digital Interface, všeobecne General Midi, ktorý používajú rôzne hudobné nástroje a zariadenia (syntetizátory, samplery, zvukové moduly, počítače, audio technika, videotechnika, svetelná technika) za účelom vzájomnej komunikácie. Nezaznamenáva hudbu priamo, uchováva iba poznámky, aký hudobný nástroj akým spôsobom hral, podľa nich potom nahrávku spätne syntetizuje.
.mp3 - Formát MP3 je iba jedným z rady MPEG formátov. Pôvodne bol formát MPEG používaný pre vysokú kompresiu videa a je používaný taktiež k vysokej a veľmi kvalitnej kompresii zvuku. Princípom súborov MP3 je kompresia MPEG Audio Layer 3 (layer=vrstva).  MP3 je stratová kompresia a funguje na princípe znalostí psychoakustiky, t.j. využíva nedokonalosť ľudského sluchu. Naše ucho napr. nie je schopné začuť niektoré nízke tóny, ak sú prekryté vyššími, silnejší signál prekrýva slabší signál. Zjednodušene možno povedať, že v mp3 sa zložky zvuku, ktoré by sme aj tak nepočuli, vymažú. Kompresia odstráni pri prepočte práve tieto signály. Celý proces je samozrejme zložitejší, ale toto je základ kompresie formátu mp3.

O výhodách kompresie nás presviedča hlavne veľkosť výsledného súboru. Základná veličina, ktorá ovplyvňuje kvalitu mp3 súboru je tzv. bitrate - rýchlosť dátového toku (udáva sa v jednotkách kbps - kilobit za sekundu). Čím je bitrate vyšší, tým je lepšia kvalita. U AUDIO CD je bitrate 1,4Mbps, súbor mp3 s kvalitou považovanou za vyhovujúcu má bitrate 128kbps.  
Medzi hlavnú črtu MP3 súboru je štandard : kompresia stereo WAV súboru do MP3 súboru - 44kHz ,stereo, 16 bit., 128kB/s. Tento súbor MP3 má kvalitu blížiacu sa k AUDIO.
.ogg - Ogg Vorbis je formát  založený na stratovej kompresii. Ta spočíva vo vypustení signálov s vyššími frekvenciami zo záznamu. Formát ogg nie je zaťažený komerčnými licenciami. Kvalitou je plne porovnateľný s formátom MP3.
.aif - Audio Interchange File Format. Formát vyvinutý firmou Apple pre záznam profesionálneho zvuku.
.voc - Creative Voice - formát, používaný SoundBlasterom (výrobcom zvukových kariet).
.wma - Windows Media Audio vyvinutý firmou Microsoft, ktorá ho patentovo chráni. Má o 20% lepšiu kompresiu ako mp3, priestorový zvuk. Pri nižších frekvenciách má lepší zvuk, ako mp3, pri vyšších horšiu a umožňuje aj kontrolu prostredníctvom digitálneho certifikátu.
.ra - Real Audio, vyvinul Real Networks. Formát pre priame prehrávanie hudby cez internet. Dá sa prehrávať iba pomocou prehrávača Real Player, ktorý je zadarmo.

Porovnajte údaje v nasledujúcej tabuľke:


Forma záznamu

Dĺžka záznamu - min:s

Veľkosť záznamu

Koeficient MB/min

Pomer k originálu

wav kópia audio stopy z CD nosiča

2 : 32

26,95 MB

10,64

1 : 1

mp3 CD kvalita 128 kbps

2 : 32

2,45 MB

0,97

1 : 11

mp3 takmer CD kvalita 80 kbps

2 : 32

1,54 MB

0,61

1 : 18

mp3 rádio kvalita 64 kbps

2 : 32

1,23 MB

0,48

1 : 22

Oboduj prácu: 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1


Založiť nové konto Pridať nový referát

Odporúčame

Ostatné » Informatika

:: KATEGÓRIE - Referáty, ťaháky, maturita:

0.016