Чарльз Петцольд - Код. Тайный язык информатики

Растровые изображения и метафайлы используются для цифрового представления визуальной информации. Звуковую информацию тоже можно преобразовать в биты и байты.

Цифровой звук произвел настоящий фурор в 1983 году благодаря появлению компакт-диска (compact-disk, CD), который стал самым успешным продуктом в истории потребительской электроники. Компакт-диск был разработан компаниями Philips и Sony и позволял хранить на одной стороне диска диаметром 12 сантиметров цифровые аудиофайлы общей длительностью 74 минуты. Такая длительность была выбрана для того, чтобы на компакт-диске могла уместиться Девятая симфония Бетховена.

Для кодирования звука подходит метод кодово-импульсной модуляции . Несмотря на сложное название, концептуально этот метод довольно прост.

Звук — это вибрация. Вибрация наших голосовых связок, музыкальных инструментов, падающего в лесу дерева приводит в движение молекулы воздуха, при этом он начинает периодически (с частотой несколько сотен или тысяч раз в секунду) сжиматься и расширяться. Вибрирующий воздух, в свою очередь, воздействует на наши барабанные перепонки, и мы слышим звук.

В 1877 году Томас Эдисон изобрел фонограф, в котором для записи и воспроизведения звука на поверхности цилиндра, покрытого фольгой, создавались углубления, повторяющие форму звуковых волн. До появления компакт-диска эта техника записи звука практически не менялась, хотя цилиндры были заменены дисками, а оловянная фольга — сначала воском, а затем пластиком. Первые фонографы были полностью механическими, однако со временем для усиления звука в них стали использоваться электрические компоненты. Переменный резистор в микрофоне преобразует звук в электрический сигнал, а электромагнит в динамике превращает этот сигнал обратно в звук.

Электрический ток, с помощью которого кодируется звук, не похож на цифровые сигналы, о которых мы говорили. Звуковое давление непрерывно изменяется, в связи с чем меняется и напряжение. Электрический ток — аналог звуковой волны. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой потребуется специальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обычно реализуемый в виде микросхемы. Выходные цифровые сигналы АЦП, количество которых равно 8, 12 или 16, обозначают относительный уровень напряжения. Например, 12-битный АЦП преобразует входящий сигнал в число от 000h до FFFh, различая при этом 4096 уровней напряжения.

При использовании метода кодово-импульсной модуляции напряжение, соответствующее звуковой волне, преобразуется в цифровые значения с постоянной скоростью. Эти значения сохраняются на компакт-диске в виде маленьких углублений, вырезанных на поверхности, и считываются лазерным лучом, отраженным от его поверхности. Во время воспроизведения эти значения снова конвертируются в электрический сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). (ЦАП также используется в цветных графических адаптерах для преобразования значений пикселов в аналоговые сигналы, подающиеся на монитор.)

Аналоговый звуковой сигнал переводится в цифровой с постоянной скоростью, называемой частотой дискретизации . В 1928 году Гарри Найквист из Bell Telephone Laboratories показал, что частота дискретизации должна как минимум в два раза превышать максимальную частоту звука, который необходимо записать и воспроизвести. Считается, что человек воспринимает звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 герц. Частота дискретизации, используемая при записи компакт-дисков, более чем вдвое превышает максимальный показатель и составляет 44 100 герц.

Разрядность (количество бит на выборку) определяет динамический диапазон компакт-диска — разницу между самым громким и самым тихим звуком, который можно записать и воспроизвести. Это требует пояснения: будучи аналогом звуковой волны, электрический сигнал отклоняется от нулевого значения; максимальное отклонение — амплитуда волны. Интенсивность звука пропорциональна удвоенной амплитуде. Десятикратному увеличению интенсивности звука соответствует один бел (единица измерения относительной силы звука, названная в честь Александра Белла); один децибел — 0,1 бела, примерно минимальное увеличение интенсивности звука, которое человек в состоянии воспринять.

Динамический диапазон для 16-разрядного звука — 96 децибел, что примерно соответствует разнице между порогом слышимости (за которым мы ничего не слышим) и болевым. Именно такая разрядность используется при записи компакт-дисков.

Таким образом, каждой секунде звуковой записи на компакт-диске соответствует 44 100 выборок по два байта. Если вы предпочитаете стереозвук, необходимо удвоить это число, чтобы в итоге получить 176 400 байт на секунду. Это 10 584 000 байт на минуту звукозаписи. (Теперь вы понимаете, почему цифровая звукозапись распространилась только в 1980-е годы.) Для записи на компакт-диске стереозвука длительностью 74 минуты требуется 783 216 000 байтов.

Цифровой звук по сравнению с аналоговым обладает многими хорошо известными преимуществами. В частности, при копировании аналогового звука (например, при записи на фонограф звука, воспроизводимого с магнитной ленты) его качество ухудшается. Оцифрованный звук закодирован числами, которые всегда можно скопировать без потери точности. В аналоговых телефонных сетях качество звука было тем хуже, чем длиннее расстояние, преодолеваемое телефонным сигналом. Сейчас этой проблемы не существует. Поскольку б о льшая часть телефонной системы перешла на цифровой звук, звонки с другого конца страны по качеству не уступают звонкам с соседней улицы.

На компакт-дисках можно хранить не только звук, но и другие данные. Диск, используемый исключительно для хранения данных, называется CD-ROM (CD Read-Only Memory, «память только для чтения»). Как правило, емкость таких дисков — около 660 мегабайт. В настоящее время большинство компьютеров оснащено специальными дисководами, а диски — распространенные носители для коммерческого программного обеспечения и игр.

Средства для работы со звуком и видео, добавленные в персональный компьютер, получили название « мультимедиа» . Теперь они настолько популярны, что не нуждаются в специальном названии. Большинство современных домашних компьютеров оснащены звуковой платой, которая включает устройство АЦП для записи звука через микрофон и устройство ЦАП для воспроизведения записанного звука через динамики. Звуки могут храниться на диске в формате WAV (waveform — «в форме волны»).

Поскольку при записи и воспроизведении звука на домашних компьютерах CD-качество требуется не всегда, программы для Macintosh и Windows предусматривают более низкие значения частоты дискретизации (22 050, 11 025 и 8000 герц) разрядности (восемь бит), а также возможность создания монофонической записи. Таким образом, на одну секунду звучания может приходиться 8000 байт, или 480 тысяч байт на одну минуту.