Peamised digitaalse helisalvestuse kvaliteeti mõjutavad parameetrid on järgmised:

§ ADC ja DAC bitimaht.

§ ADC ja DAC diskreetimissagedused.

§ Värin ADC ja DAC

§ Ülevalimine

Samuti on olulised digitaalsete helisalvestus- ja heli taasesitusseadmete analoogtee parameetrid:

§ Signaali ja müra suhe

§ Harmooniliste moonutustegur

§ Intermodulatsiooni moonutus

§ Ebaühtlased amplituud-sageduskarakteristikud

§ Kanalite läbitungimine

§ Dünaamiline ulatus

Digitaalne helisalvestustehnoloogia

Digitaalne helisalvestus toimub praegu salvestusstuudiotes, mida juhivad personaalarvutid ja muud kallid ja kvaliteetsed seadmed. Üsna laialdaselt on arendatud ka “kodustuudio” kontseptsioon, milles kasutatakse professionaalseid ja poolprofessionaalseid salvestusseadmeid, mis võimaldavad kodus kvaliteetseid salvestusi luua.

Helikaarte kasutatakse osana arvutitest, mis töötlevad oma ADC-des ja DAC-des - enamasti 24 bitti ja 96 kHz bitikiiruse ja diskreetimissageduse edasine suurendamine salvestuse kvaliteeti praktiliselt ei tõsta.

Seal on terve klass arvutiprogramme - heliredaktoreid, mis võimaldavad teil heliga töötada:

§ salvestada sissetulev helivoog

§ heli loomine (tekitamine).

§ olemasoleva salvestuse muutmine (näidiste lisamine, tämbri, helikiiruse muutmine, osade lõikamine jne)

§ kirjuta ühest vormingust teise ümber

§ teisendada teisendada erinevaid helikoodekeid

Mõned lihtsad programmid võimaldavad teil teisendada ainult vorminguid ja koodekeid.

Digitaalsete helivormingute tüübid

Helivormingu mõisteid on erinevaid.

Heliandmete digitaalsel kujul esitamise formaat sõltub digitaal-analoogmuunduri (DAC) kasutatavast kvantimismeetodist. Helitehnikas on praegu kõige levinumad kahte tüüpi kvantimist:

§ impulsskoodi modulatsioon

§ sigma-delta modulatsioon

Sageli on erinevate helisalvestus- ja taasesitusseadmete jaoks digitaalse heliesitlusvorminguna näidatud kvantimisbiti sügavus ja diskreetimissagedus (24 bitti/192 kHz; 16 bitti/48 kHz).

Failivorming määrab arvutisalvestusseadmesse salvestatud heliandmete struktuuri ja esitusfunktsioonid. Heliandmete liiasuse kõrvaldamiseks kasutatakse heliandmete tihendamiseks helikoodekeid. Helifailivorminguid on kolm rühma:

§ Tihendamata helivormingud, nagu WAV, AIFF

§ kadudeta pakkimisega helivormingud (APE, FLAC)

§ helivormingud, mis kasutavad kadudeta pakkimist (mp3, ogg)

Modulaarsed muusikafailivormingud paistavad silma. Sünteetiliselt või eelsalvestatud live-pillide näidistest loodud need on peamiselt mõeldud kaasaegse elektroonilise muusika (MOD) loomiseks. See hõlmab ka MIDI-vormingut, mis ei ole helisalvestis, kuid võimaldab samal ajal sekvenserit kasutades salvestada ja esitada muusikat, kasutades teatud käskude komplekti teksti kujul.

Digitaalseid helimeediumiformaate kasutatakse nii helisalvestiste masslevitamiseks (CD, SACD) kui ka professionaalsel helisalvestusel (DAT, minidisc).

Ruumilise heli süsteemide puhul on võimalik eristada ka heliformaate, mis on peamiselt filmide mitmekanalilised helisaated. Sellistes süsteemides on terved formaadipered kahelt suurelt konkureerivalt ettevõttelt Digital Theatre Systems Inc. - DTS ja Dolby Laboratories Inc. - Dolby Digital.

Vormingut nimetatakse ka kanalite arvuks mitme kanaliga helisüsteemides (5.1; 7.1). Algselt töötati selline süsteem välja kinode jaoks, kuid hiljem laiendati tarkvarakoodekit

Heli koodek programmi tasemel

§ G.723.1 – üks IP-telefonirakenduste põhikoodekke

§ G.729 on patenteeritud kitsaribakoodek, mida kasutatakse kõne digitaalseks esituseks

§ Interneti madala bitikiirusega koodek (iLBC) - populaarne tasuta kodek IP-telefoni jaoks (eriti Skype'i ja Google Talki jaoks)

Heli koodek(inglise) Heli koodek; helikooder/dekooder) on arvutiprogramm või riistvara, mis on loodud heliandmete kodeerimiseks või dekodeerimiseks.

Tarkvara kodek

Heli koodek programmi tasemel on spetsiaalne arvutiprogramm, koodek, mis tihendab (tihendab) või lahti (lahti) digitaalseid heliandmeid vastavalt faili helivormingule või voogedastusheli vormingule. Helikoodeki kui kompressori ülesanne on pakkuda kindlaksmääratud kvaliteedi/täpsusega ja väikseima võimaliku suurusega helisignaali. Tihendus vähendab heliandmete salvestamiseks vajalikku ruumi ja võib ka vähendada selle kanali ribalaiust, mille kaudu heliandmeid edastatakse. Enamik helikoodekeid on rakendatud tarkvarateekidena, mis suhtlevad ühe või mitme helipleieriga, nagu QuickTime Player, XMMS, Winamp, VLC meediapleier, MPlayer või Windows Media Player.

Populaarsed tarkvara helikoodekid rakenduse järgi:

§ MPEG-1 Layer III (MP3) - patenteeritud helikodek (muusika, audioraamatud jne) arvutiseadmetele ja digipleieritele

§ Ogg Vorbis (OGG) - populaarsuselt teine ​​formaat, mida kasutatakse laialdaselt arvutimängudes ja failijagamisvõrkudes muusika edastamiseks

§ GSM-FR – esimene digitaalse kõne kodeerimise standard, mida kasutatakse GSM-telefonides

§ Adaptiivne mitme kiirusega (AMR) – inimese hääle salvestamine mobiiltelefonides ja muudes mobiilseadmetes

Eesmärgid:

hariv:

• Tutvuge Wav-failide binaarkodeerimise tehnoloogiaga
• Õppige lahendama probleeme WAV-helifaili suuruse määramiseks

Ajaproovide võtmine – protsess, kus pideva helisignaali kodeerimisel jagatakse helilaine eraldi väikesteks ajalõikudeks ning igale sellisele lõigule määratakse kindel amplituudi väärtus. Mida suurem on signaali amplituud, seda valjem on heli.

Heli sügavus (kodeerimise sügavus) -bittide arv helikodeeringu kohta.

Helitugevuse tasemed (signaali tasemed)- helil võib olla erinev helitugevus. Erinevate helitugevuse tasemete arv arvutatakse valemi abil N= 2 I KusI- heli sügavus.

Proovivõtu sagedus - sisendsignaali taseme mõõtmiste arv ajaühikus (1 sekundis). Mida suurem on diskreetimissagedus, seda täpsem on binaarkodeerimise protseduur. Sagedust mõõdetakse hertsides (Hz). 1 mõõtmine 1 sekundi kohta -1 Hz.

1000 mõõtmist 1 sekundiga 1 kHz. Tähistame diskreetimissagedust tähegaD. Kodeerimiseks valige üks kolmest sagedusest:44,1 KHz, 22,05 KHz, 11,025 KHz.

Arvatakse, et sagedusvahemik, mida inimene kuuleb, pärineb 20 Hz kuni 20 kHz.

Binaarse kodeeringu kvaliteet –väärtus, mis määratakse kodeerimissügavuse ja diskreetimissagedusega.

Heliadapter (helikaart) - seade, mis muudab heli sageduse elektrilised vibratsioonid heli sisestamisel numbriliseks kahendkoodiks ja vastupidi (numbrilisest koodist elektrivibratsiooniks) heli esitamisel.

Heliadapteri tehnilised andmed:diskreetimissagedus ja registri bitisügavus.).

Registri suurus - bittide arv heliadapteri registris. Mida suurem on numbrimaht, seda väiksem on iga üksiku elektrivoolu tugevuse arvuks teisendamise viga ja vastupidi. Kui biti sügavus on I, siis saab sisendsignaali mõõtmisel saada 2I = N erinevaid tähendusi.

Digitaalse monoheli faili suurus (A) mõõdetakse järgmise valemiga:

A= D* T* I/8 , KusD - diskreetimissagedus (Hz),T- heli esitamise või salvestamise aeg,Iregistri laius (eraldusvõime). Selle valemi järgi mõõdetakse suurust baitides.

Digitaalse stereoheli faili suurus (A) mõõdetakse järgmise valemiga:

A=2* D* T* I/8 , salvestatakse signaal kahe kõlari jaoks, kuna vasak ja parem helikanal on kodeeritud eraldi.

Õpilastel on kasulik esitada tabel 1, mis näitab, mitu MB võtab kodeeritud üks minut heliteavet erinevate diskreetimissageduste korral:

Algoritm 1 (helifaili teabemahu arvutamine):

1) saate teada, mitu koguväärtust faili esitamise ajal mällu loetakse;

2) selgitada välja koodimaht (mitu bitti mälus iga mõõdetud väärtus hõivab);

3) korrutada tulemused;

4) teisendab tulemuse baitideks;

5) teisendab tulemuse K baitideks;

6) teisendab tulemuse M baitideks;

Algoritm 2 (Arvutage faili esitusaeg.)

1) Teisendage faili teabemaht K baitideks.

2) Teisenda faili infomaht baitideks.

3) Teisenda faili infomaht bittideks.

4) Uurige, mitu väärtust mõõdeti (teabe maht bittides jagatud koodi biti pikkusega).

5) Arvutage heli sekundite arv. (Jagage eelmine tulemus proovivõtusagedusega.)

1. Digitaalse faili suurus

Tase "3"

1. Määrake digitaalse helifaili suurus (baitides), mille esitusaeg on 10 sekundit diskreetimissagedusega 22,05 kHz ja eraldusvõimega 8 bitti. Fail ei ole tihendatud.

Lahendus:

Valem suuruse arvutamiseks (baitides) digitaalne helifail: A= D* T* I/8.

Baitideks teisendamiseks tuleb saadud väärtus jagada 8 bitiga.

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

A= D* T* I/8 = 22050 x 10 x 8/8 = 220500 baiti.

Vastus: faili suurus on 220500 baiti.

2. Määrake mälumaht digitaalse helifaili salvestamiseks, mille esitusaeg on kaks minutit diskreetimissagedusel 44,1 kHz ja eraldusvõimega 16 bitti.

Lahendus:

A= D* T* I/8. - mälumaht digitaalse helifaili salvestamiseks.

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

Vastus: ≈ 10 MB

Tase "4"

3. Kasutaja mälumaht on 2,6 MB. Vajalik on salvestada digitaalne helifail heli kestusega 1 minut. Milline peaks olema diskreetimissagedus ja bitisügavus?

Lahendus:

Diskreetimissageduse ja bitisügavuse arvutamise valem: D* I =A/T

(mälu maht baitides) : (heliaeg sekundites):

2,6 MB = 2726297,6 baiti

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

D = 45438,3 baiti: I

Adapteri laius võib olla 8 või 16 bitti. (1 bait või 2 baiti). Seetõttu võib diskreetimissagedus olla kas 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz-standardne iseloomulik diskreetimissagedus ehk 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- standardne iseloomulik diskreetimissagedus

Vastus:

	Proovivõtu sagedus	Heliadapteri võimsus
1 variant	22,05 kHz	16 bitine
2. võimalus	44,1 kHz	8 bitine

4. Ketta vaba mälu maht on 5,25 MB, helikaardi bitisügavus 16. Kui kaua kestab 22,05 kHz diskreetimissagedusega salvestatud digitaalse helifaili heli?

Lahendus:

Heli kestuse arvutamise valem: T=A/D/I

(mälu maht baitides) : (diskreetimise sagedus Hz) : (helikaardi maht baitides):

5,25 MB = 5505024 baiti

5505024 baiti: 22050 Hz: 2 baiti = 124,8 sek
Vastus: 124,8 sekundit

5. Üks minut digitaalse helifaili salvestamist võtab 1,3 MB kettaruumi, helikaardi bitimaht on 8. Millise diskreetimissagedusega heli salvestatakse?

Lahendus:

Diskreetimissageduse arvutamise valem: D = A/T/I

(mälu maht baitides) : (salvestusaeg sekundites) : (helikaardi maht baitides)

1,3 MB = 1363148,8 baiti

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

Vastus: 22,05 kHz

6. Kaks minutit digitaalse helifaili salvestamist võtab 5,1 MB kettaruumi. Diskreetimissagedus - 22050 Hz. Mis on heliadapteri bitisügavus?

Lahendus:

Bitisügavuse arvutamise valem: (mälu maht baitides): (heliaeg sekundites): (diskreetimise sagedus):

5,1 MB = 5347737,6 baiti

5347737,6 baiti: 120 sek: 22050 Hz = 2,02 baiti = 16 bitti

Vastus: 16 bitti

7. Ketta vaba mälu maht on 0,01 GB, helikaardi bitisügavus 16. Kui kaua kestab 44100 Hz diskreetimissagedusega salvestatud digitaalse helifaili heli?

Lahendus:

Heli kestuse arvutamise valem T=A/D/I

(mälu maht baitides) : (diskreetimissagedus Hz) : (helikaardi maht baitides)

0,01 GB = 10737418,24 baiti

10737418,24 baiti: 44100: 2 = 121,74 sek = 2,03 min
Vastus: 20,3 minutit

8. Hinnake monohelifaili teabe mahtu, mille heli kestus on 1 minut. kui kodeeringu "sügavus" ja helisignaali diskreetimissagedus on vastavalt võrdsed:
a) 16 bitti ja 8 kHz;
b) 16 bitti ja 24 kHz.

Lahendus:

A).

16 bitti x 8000 = 128 000 bitti = 16 000 baiti = 15,625 KB/s

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

b).
1) 1 sekundi pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
16 bitti x 24 000 = 384 000 bitti = 48 000 baiti = 46,875 KB/s
2) 1 minuti pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
46,875 kB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

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

Tase "5"

Kasutatakse tabelit 1

9. Kui palju mälu on vaja kvaliteetse helisalvestusega digitaalse helifaili salvestamiseks eeldusel, et esitusaeg on 3 minutit?

Lahendus:

Kõrge helikvaliteet saavutatakse diskreetimissagedusel 44,1 kHz ja heliadapteri bitisügavusel 16.
Mälu mahu arvutamise valem: (salvestusaeg sekundites) x (helikaardi maht baitides) x (diskreetimise sagedus):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 baiti = 15,1 MB
Vastus: 15,1 MB

10. Digitaalne helifail sisaldab madala kvaliteediga helisalvestist (heli on tume ja summutatud). Mis on faili kestus, kui selle suurus on 650 KB?

Lahendus:

Sünge ja summutatud heli jaoks on tüüpilised järgmised parameetrid: diskreetimissagedus - 11,025 KHz, heliadapteri bitisügavus - 8 bitti (vt tabel 1). Siis T = A/D/I. Teisendame helitugevuse baitideks: 650 KB = 665600 baiti

Т=665600 baiti/11025 Hz/1 bait ≈60,4 s

Vastus: heli kestus on 60,5 s

Lahendus:

1 sekundi pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
16 bitti x 48 000 x 2 = 1 536 000 bitti = 187,5 KB (korrutatud 2-ga, kuna stereo).

1 minuti pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Vastus: 11 MB

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

12. Arvutage monohelifaili esitusaeg, kui selle helitugevus on 16-bitise kodeeringu ja 32 kHz diskreetimissagedusega võrdne:
a) 700 KB;
b) 6300 KB

Lahendus:

A).
1) 1 sekundi pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:


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

b).
1) 1 sekundi pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
16 bitti x 32 000 = 512 000 bitti = 64 000 baiti = 62,5 KB/s
2) 700 KB monohelifaili esitusaeg on:
6300 kB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 min

Vastus: a) 10 sekundit; b) 1,5 min.

13. Arvutage, mitu baiti informatsiooni võtab üks sekund stereosalvestust CD-l (sagedus 44032 Hz, 16 bitti väärtuse kohta). Kui kaua võtab aega üks minut? Kui suur on ketta maksimaalne maht (eeldades, et maksimaalne kestus on 80 minutit)?

Lahendus:

Mälu suuruse arvutamise valem A= D* T* I:
(salvestusaeg sekundites) * (helikaardi maht baitides) * (diskreetimise sagedus). 16 bitti - 2 baiti.
1) 1 s x 2 x 44032 Hz = 88064 baiti (1 sekund stereosalvestus CD-le)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283 840 baiti (1 minut stereo-CD salvestust)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 baiti = 412800 KB = 403,125 MB (80 minutit)

Vastus: 88064 baiti (1 sekund), 5283840 baiti (1 minut), 403,125 MB (80 minutit)

2. Helikvaliteedi määramine.

Helikvaliteedi määramiseks tuleb leida diskreetimissagedus ja kasutada tabelit nr 1

256 (2 8) signaali intensiivsuse taset - raadiosaadete helikvaliteet, kasutades 65536 (2 16) signaali intensiivsuse taset - heli-CD helikvaliteet. Kõrgeima kvaliteediga sagedus vastab CD-le salvestatud muusikale. Analoogsignaali tugevust mõõdetakse sel juhul 44 100 korda sekundis.

Tase "5"

13. Määrake helikvaliteet (raadioedastuse kvaliteet, keskmine kvaliteet, heli-CD kvaliteet), kui on teada, et monohelifaili helitugevus heli kestusega 10 sekundit. võrdne:
a) 940 KB;
b) 157 KB.

(, lk 76, nr 2.83)

Lahendus:

A).
1) 940 KB = 962560 baiti = 7700480 bitti
2) 7700480 bitti: 10 sek = 770048 bitti/s
3) 770048 bps: 16 bitti = 48128 Hz – diskreetimissagedus – kõrgeima 44,1 kHz lähedal
Vastus: Audio CD kvaliteet

b).
1) 157 KB = 160768 baiti = 1286144 bitti
2) 1286144 bitti: 10 sek = 128614,4 bitti/s
3) 128614,4 bps: 16 bitti = 8038,4 Hz
Vastus: saate kvaliteet

Vastus: a) CD kvaliteet; b) raadiosaadete kvaliteet.

14. Määrake helifaili pikkus, mis mahub 3,5-tollisele disketile. Pange tähele, et sellisele disketile on andmete salvestamiseks eraldatud 2847 512-baidist sektorit.
a) madala helikvaliteediga: mono, 8 bitti, 8 kHz;
b) kõrge helikvaliteediga: stereo, 16 bit, 48 kHz.

(, lk 77, nr 2.85)

Lahendus:

A).



8 bitti x 8000 = 64 000 bitti = 8000 baiti = 7,8 KB/s
3) 1423,5 KB mahuga monohelifaili esitusaeg on võrdne:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 min

b).
1) Disketti teabemaht on võrdne:
2847 sektorit x 512 baiti = 1457664 baiti = 1423,5 KB
2) 1 sekundi pikkuse helifaili teabemaht on võrdne:
16 bitti x 48 000 x 2 = 1 536 000 bitti = 192 000 baiti = 187,5 KB/s
3) 1423,5 KB mahuga stereohelifaili esitusaeg on võrdne:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s

Vastus: a) 3 minutit; b) 7,6 sekundit.

3. Binaarne helikodeering.

Ülesannete lahendamisel kasutab ta järgmist teoreetilist materjali:

Heli kodeerimiseks kasutatakse joonisel näidatud analoogsignaali

tasapind on jagatud vertikaal- ja horisontaaljoonteks. Vertikaalne jaotamine on analoogsignaali diskreetimine (signaali mõõtmise sagedus), horisontaalne jaotamine on kvantiseerimine taseme järgi. Need. Mida peenem on ruudustik, seda parem on analoogheli ligikaudne väärtus numbrite abil. Kaheksabitist kvantiseerimist kasutatakse tavalise kõne (telefonivestluse) ja lühilaine raadiosaadete digiteerimiseks. Kuueteistbitine – muusika ja VHF (ultra-lühilaine) raadiosaadete digiteerimiseks.

Tase "3"

15. Analooghelisignaali diskreetimisel kasutati esmalt 256 signaali intensiivsust (edastusheli kvaliteet) ja seejärel 65 536 signaali intensiivsust (heli-CD heli kvaliteet). Mitu korda erinevad digiteeritud heli infomahud? (, lk 77, nr 2.86)

Lahendus:

256 signaali intensiivsuse taset kasutava analoogsignaali koodi pikkus on 8 bitti ja 65536 signaali intensiivsuse taset kasutades 16 bitti. Kuna ühe signaali koodi pikkus on kahekordistunud, erinevad digiteeritud heli infomahud 2 korda.

Vastus: 2 korda.

Tase "4"

16. Nyquisti-Kotelnikovi teoreemi kohaselt peab analoogsignaali diskreetse esituse (selle näidiste põhjal) täpseks rekonstrueerimiseks olema diskreetimissagedus vähemalt kaks korda suurem selle signaali maksimaalsest helisagedusest.

• Milline peaks olema inimesele tajutava heli diskreetimissagedus?
• Kumb peaks olema suurem: kõne diskreetimissagedus või sümfooniaorkestri diskreetimissagedus?

Eesmärk: Tutvustada õpilastele heliga töötamise riist- ja tarkvara omadusi. Tegevuse liigid: teadmiste hankimine füüsikakursusest (või teatmeteostega töötamine). (, lk ??, ülesanne 2)

Lahendus:

Arvatakse, et inimeste kuuldavate sageduste vahemik on 20 Hz kuni 20 kHz. Seega, vastavalt Nyquisti-Kotelnikovi teoreemile, et analoogsignaali saaks selle diskreetsest esitusest (selle näidistest) täpselt rekonstrueerida, Diskreetimissagedus peab olema vähemalt kaks korda suurem kui selle signaali maksimaalne helisagedus. Maksimaalne helisagedus, mida inimene kuuleb, on 20 KHz, mis tähendab, et seade Ra ja tarkvara peavad tagama diskreetimissageduse vähemalt 40 kHz või täpsemalt 44,1 kHz. Sümfooniaorkestri heli arvutitöötlus nõuab suuremat diskreetimissagedust kui kõnetöötlus, kuna sümfooniaorkestri puhul on sagedusvahemik palju suurem.

Vastus: mitte vähem kui 40 kHz, sümfooniaorkestri diskreetimissagedus on kõrgem.

Tase "5"

17. Joonisel on kujutatud diktofoni salvestatud 1 sekundi pikkuse kõne heli. Kodeerige see kahendkoodis sagedusega 10 Hz ja koodi pikkusega 3 bitti. (, lk ??, ülesanne 1)

Lahendus:

Kodeerimine sagedusel 10 Hz tähendab, et peame mõõtma helikõrgust 10 korda sekundis. Valime võrdsel kaugusel olevad ajahetked:

Koodi pikkus 3 bitti tähendab 2 3 = 8 kvantimistaset. See tähendab, et numbrikoodina heli kõrguse jaoks igal valitud ajahetkel saame määrata ühe järgmistest kombinatsioonidest: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Seal on ainult 8 kombinatsiooni. Seetõttu saab heli kõrgust mõõta 8 "tasandil":

"Ümardame" helikõrguse väärtused lähima madalama tasemeni:

Seda kodeerimismeetodit kasutades saame järgmise tulemuse (taju hõlbustamiseks on lisatud tühikud): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Märkus. Soovitav on juhtida õpilaste tähelepanu sellele, kui ebatäpselt kood amplituudi muutust edasi annab. See tähendab, et diskreetimissagedus 10 Hz ja kvantimistase 2 3 (3 bitti) on liiga väikesed. Tavaliselt valitakse heli (hääle) jaoks diskreetimissageduseks 8 kHz, st 8000 korda sekundis, ja kvantimistasemeks 2 8 (kood 8 bitti pikk).

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

18. Selgitage, miks kvantimistase on koos diskreetimissagedusega heliesituse peamised omadused arvutis. Eesmärgid: kinnistada õpilaste arusaama mõistetest „andmete esituse täpsus“, „mõõtmisviga“, „esitusviga“; Vaadake õpilastega üle binaarne kodeerimine ja koodi pikkus. Tegevuse liik: töötamine mõistete definitsioonidega. (, lk ??, ülesanne 3)

Lahendus:

Geomeetrias, füüsikas ja tehnoloogias on mõiste "mõõtmistäpsus", mis on tihedalt seotud "mõõtmisvea" mõistega. Kuid on ka kontseptsioon "esituse täpsus". Näiteks inimese pikkuse kohta võime öelda, et ta on: a) umbes. 2 m, b) veidi üle 1,7 m, c) võrdne 1 m 72 cm, d) võrdne 1 m 71 cm 8 mm. See tähendab, et mõõdetud kõrguse näitamiseks saab kasutada 1, 2, 3 või 4 numbrit.
Sama kehtib ka binaarkodeerimise kohta. Kui heli kõrguse salvestamiseks konkreetsel ajahetkel kasutatakse ainult 2 bitti, siis isegi kui mõõtmised olid täpsed, saab edastada ainult 4 taset: madal (00), alla keskmise (01), üle keskmise ( 10), kõrge (11). Kui kasutate 1 baiti, saate üle kanda 256 taset. Kuidas kõrgem kvantimise tase, või, mis on sama, mis Mida rohkem bitte mõõdetud väärtuse salvestamiseks eraldatakse, seda täpsemalt see väärtus edastatakse.

Märkus. Tuleb märkida, et mõõteriist peab toetama ka valitud kvantimistaset (pole mõtet esitada joonlauaga mõõdetud pikkust detsimeetrijaotustega millimeetri täpsusega).

Helitugevuse ja heli kõrguse sõltuvus helilaine intensiivsusest ja sagedusest

Hertz(näidatud Hz või Hz) - perioodiliste protsesside (näiteks võnkumiste) sageduse mõõtühik.
1 Hz tähendab sellise protsessi üht täitmist ühes sekundis: 1 Hz = 1/s.

Kui meil on 10 Hz, siis see tähendab, et meil on ühes sekundis kümme sellise protsessi täitmist.

Inimkõrv suudab tajuda heli sagedustel alates 20 vibratsioonist sekundis (20 hertsi, madal heli) kuni 20 000 vibratsioonini sekundis (20 KHz, kõrge heli).

Lisaks suudab inimene tajuda heli laias intensiivsuse vahemikus, mille puhul maksimaalne intensiivsus on 1014 korda suurem kui miinimum (sada tuhat miljardit korda).

Heli tugevuse mõõtmiseks leiutati ja kasutati spetsiaalset seadet " detsibell" (dB)

Helitugevuse vähenemine või suurendamine 10 dB võrra vastab heli intensiivsuse vähenemisele või suurenemisele 10 korda.

Helitugevus detsibellides

Selleks, et arvutisüsteemid saaksid heli töödelda, tuleb pidev helisignaal ajaproovimise abil teisendada digitaalseks, diskreetseks vormiks.

Selleks jagatakse pidev helilaine eraldi väikesteks ajutisteks osadeks ning igale sellisele lõigule määratakse kindel helitugevuse väärtus.

Seega on helitugevuse pidev sõltuvus ajast A(t) asendatud diskreetse helitugevuse tasemete jadaga. Graafikul näeb see välja nagu sujuva kõvera asendamine "sammude" jadaga.

Heli ajaproovide võtmine

Analoogheli salvestamiseks ja digitaalseks teisendamiseks kasutatakse helikaardiga ühendatud mikrofoni.

Mida tihedamad on diskreetsed triibud graafikul, seda parema kvaliteediga saate lõpuks algse heli taasluua.

Saadud digitaalheli kvaliteet sõltub helitugevuse taseme mõõtmiste arvust ajaühikus, st diskreetimissagedusest.

Heli diskreetimissagedus on helitugevuse mõõtmiste arv ühes sekundis.

Mida rohkem mõõtmisi ühes sekundis tehakse (mida kõrgem on diskreetimissagedus), seda täpsemalt järgib digitaalse helisignaali “redel” analoogsignaali kõverat.

Igale graafiku „sammule” on määratud konkreetne helitugevuse taseme väärtus. Helitugevuse tasemeid võib käsitleda võimalike olekute kogumina N(gradatsioonid), kodeerimiseks on vaja teatud kogust teavet I, mida nimetatakse heli kodeerimise sügavuseks.

Heli kodeerimise sügavus on teabe hulk, mis on vajalik digitaalse heli diskreetse helitugevuse kodeerimiseks.

Kui kodeerimissügavus on teada, saab digitaalse helitugevuse tasemete arvu arvutada üldvalemi abil N = 2I.

Näiteks olgu heli kodeeringu sügavus 16 bitti, sel juhul on helitugevuse tasemete arv võrdne:

N = 2 I = 216 = 65 536.

Kodeerimisprotsessi ajal määratakse igale helitugevuse tasemele oma 16-bitine kahendkood, madalaim helitase vastab koodile 0000000000000000 ja kõrgeim - 11111111111111111.

Digitaliseeritud helikvaliteet

Seega, mida kõrgem on diskreetimissagedus ja heli kodeerimise sügavus, seda kvaliteetsem on digiteeritud heli ja seda paremini saate digiteeritud heli originaalhelile lähemale tuua.

Kõrgeima kvaliteediga digiteeritud heli, mis vastab audio-CD kvaliteedile, saavutatakse diskreetimissagedusega 48 000 korda sekundis, diskreetimissügavusega 16 bitti ja kahe heliriba salvestamisega (stereorežiim).

Seda tuleb meeles pidada mida kõrgem on digitaalse heli kvaliteet, seda suurem on helifaili infomaht.

Saate hõlpsasti hinnata 1-sekundilise heli kestusega digitaalse stereohelifaili teabe mahtu keskmise helikvaliteediga (16 bitti, 24 000 mõõtmist sekundis). Selleks tuleb kodeerimissügavus korrutada mõõtmiste arvuga sekundis ja korrutada 2 kanaliga (stereoheli):

16 bitti × 24 000 × 2 = 768 000 bitti = 96 000 baiti = 93,75 KB.

Helitoimetajad

Heliredaktorid võimaldavad heli mitte ainult salvestada ja taasesitada, vaid ka seda redigeerida. Kõige silmapaistvamaid võib julgelt nimetada, näiteks Sony Sound Forge, Adobe Audition, GoldWave ja teised.

Digiteeritud heli esitatakse heliredaktorites selgel visuaalsel kujul, nii et heliriba osade kopeerimise, teisaldamise ja kustutamise toiminguid saab hõlpsasti läbi viia arvutihiire abil.

Lisaks saate heliradasid üksteise peale katta (helid miksida) ning rakendada erinevaid akustilisi efekte (kaja, tagurpidi taasesitus jne).

Heli kokkusurutud vormingus salvestamisel jäetakse kõrvale madala intensiivsusega helisagedused, mis on inimese taju jaoks kuulmatud ja märkamatud ("liigsed"), mis langevad ajaliselt kokku kõrge intensiivsusega helisagedustega. Selle vormingu kasutamine võimaldab tihendada helifaile kümneid kordi, kuid toob kaasa pöördumatu teabekao (faile ei saa taastada algsel, algsel kujul).

Sihtmärk. Mõistke heliteabe teisendamise protsessi, omandage heliteabe mahu arvutamiseks vajalikud mõisted. Õppige mõnel teemal probleeme lahendama.

Eesmärk-motivatsioon. Ettevalmistus ühtseks riigieksamiks.

Tunniplaan

1. Vaadake teemakohast ettekannet koos õpetaja kommentaaridega. 1. lisa

Esitlusmaterjal: Heliteabe kodeerimine.

Alates 90ndate algusest on personaalarvutid saanud töötada heliteabega. Iga arvuti, millel on helikaart, mikrofon ja kõlarid, saab heliteavet salvestada, salvestada ja esitada.

Helilainete teisendamine arvutimälus olevaks kahendkoodiks:

Arvuti mällu salvestatud heliteabe taasesitamise protsess:

Heli on pidevalt muutuva amplituudi ja sagedusega helilaine. Mida suurem on amplituud, seda valjem on see inimese jaoks, mida kõrgem on signaali sagedus, seda kõrgem on toon. Arvutitarkvara võimaldab nüüd pideva helisignaali teisendada elektriimpulsside jadaks, mida saab esitada binaarsel kujul. Pideva helisignaali kodeerimise protsessis on see ajaproovide võtmine . Pidev helilaine jagatakse eraldi väikesteks ajutisteks osadeks ja iga sellise lõigu jaoks määratakse kindel amplituudi väärtus.

Seega signaali amplituudi pidev sõltuvus ajast A(t) asendatakse helitugevuse diskreetse järjestusega. Graafikul näeb see välja nagu sujuva kõvera asendamine sammude jadaga. Igale sammule määratakse helitugevuse taseme väärtus, selle kood (1, 2, 3 jne).

edasi). Helitugevuse tasemeid võib käsitleda võimalike olekute kogumina, mida rohkem helitugevust kodeerimisprotsessi käigus eraldatakse, seda rohkem teavet iga taseme väärtus kannab ja seda parem on heli.

Heli adapter ( helikaart) on arvutiga ühendatud spetsiaalne seade, mis on ette nähtud heli sageduse elektriliste vibratsioonide teisendamiseks heli sisestamisel numbriliseks kahendkoodiks ja heli esitamisel vastupidiseks teisendamiseks (numbrilisest koodist elektrivibratsiooniks).

Heli salvestamise käigus mõõdab heliadapter teatud perioodiga elektrivoolu amplituudi ja sisestab saadud väärtuse binaarkoodi registrisse. Seejärel kirjutatakse saadud kood registrist ümber arvuti RAM-i. Arvutiheli kvaliteedi määravad heliadapteri omadused:

• Proovivõtu sagedus
• Bitisügavus (heli sügavus).

Aja proovivõtu sagedus

See on sisendsignaali mõõtmiste arv 1 sekundi jooksul. Sagedust mõõdetakse hertsides (Hz). Üks mõõtmine sekundis vastab sagedusele 1 Hz. 1000 mõõtmist 1 sekundiga – 1 kiloherts (kHz). Heliadapterite tüüpilised diskreetimissagedused:

11 kHz, 22 kHz, 44,1 kHz jne.

Registri laius (heli sügavus) on heliadapteri registris olevate bittide arv, mis määrab võimalike helitasemete arvu.

Bitisügavus määrab sisendsignaali mõõtmise täpsuse. Mida suurem on biti sügavus, seda väiksem on viga iga üksiku elektrisignaali väärtuse teisendamisel arvuks ja tagasi. Kui biti sügavus on 8 (16), siis sisendsignaali mõõtmisel saab 2 8 = 256 (2 16 = 65536) erinevaid väärtusi. Ilmselgelt kodeerib ja taasesitab 16-bitine heliadapter heli täpsemini kui 8-bitine. Kaasaegsed helikaardid pakuvad 16-bitise heli kodeerimise sügavust. Erinevate signaalitasemete (antud kodeeringu olekute) arvu saab arvutada järgmise valemi abil:

N = 2 I = 2 16 = 65536, kus I on heli sügavus.

Seega suudavad kaasaegsed helikaardid pakkuda 65536 signaalitaseme kodeerimist. Igale helisignaali amplituudi väärtusele on määratud 16-bitine kood. Pideva helisignaali binaarsel kodeerimisel asendatakse see diskreetsete signaalitasemete jadaga. Kodeerimise kvaliteet sõltub signaali taseme mõõtmiste arvust ajaühikus, st proovivõtusagedused. Mida rohkem mõõtmisi tehakse 1 sekundi jooksul (mida kõrgem on diskreetimissagedus, seda täpsem on binaarkodeerimise protseduur.

Helifail - fail, mis salvestab heliteavet numbrilises kahendvormingus.

2. Korrake teabe mõõtühikuid

1 bait = 8 bitti

1 KB = 2 10 baiti = 1024 baiti

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. Kinnitage õpitud materjali esitlust või õpikut vaadates

4. Probleemide lahendamine

Õpik, lahenduse näitamine esitlusel.

Ülesanne 1. Määrake kõrge helikvaliteediga (16 bitti, 48 kHz) stereohelifaili teabe maht, mille heli kestus on 1 sekund.

Ülesanne (iseseisvalt).Õpik, lahenduse näitamine esitlusel.
Määrake 22,05 kHz diskreetimissagedusega ja 8-bitise eraldusvõimega digitaalse helifaili teabemaht, mille heli kestus on 10 sekundit.

5. Konsolideerimine. Probleemide lahendamine kodus, iseseisvalt järgmises tunnis

Määrake mälumaht digitaalse helifaili salvestamiseks, mille esitusaeg on kaks minutit diskreetimissagedusel 44,1 kHz ja eraldusvõimega 16 bitti.

Kasutaja mälumaht on 2,6 MB. Vajalik on salvestada digitaalne helifail heli kestusega 1 minut. Milline peaks olema diskreetimissagedus ja bitisügavus?

Ketta vaba mälu maht on 5,25 MB, helikaardi bitisügavus 16. Kui kaua kestab 22,05 kHz diskreetimissagedusega salvestatud digitaalse helifaili heli?

Üks minut digitaalse helifaili salvestamist võtab 1,3 MB kettaruumi ja helikaardi bitimaht on 8. Millise diskreetimissagedusega heli salvestatakse?

Kui palju mälu on vaja 3-minutilise esitusajaga kvaliteetse digitaalse helifaili salvestamiseks?

Digitaalne helifail sisaldab madala kvaliteediga helisalvestist (heli on tume ja summutatud). Mis on faili kestus, kui selle suurus on 650 KB?

Kaks minutit digitaalse helifaili salvestamist võtab 5,05 MB kettaruumi. Diskreetimissagedus - 22 050 Hz. Mis on heliadapteri bitisügavus?

Ketta vaba mälu maht on 0,1 GB, helikaardi bitisügavus 16. Kui kaua kestab 44 100 Hz diskreetimissagedusega salvestatud digitaalse helifaili heli?

Vastused

Nr 92. 124,8 sekundit.

Nr 93. 22,05 kHz.

Nr 94. Kõrge helikvaliteet saavutatakse diskreetimissagedusega 44,1 kHz ja heliadapteri bitisügavusega 16. Vajalik mälumaht on 15,1 MB.

Nr 95. Süngele ja summutatud helile on tüüpilised järgmised parameetrid: diskreetimissagedus - 11 kHz, heliadapteri bitisügavus - 8. Heli kestus on 60,5 s.

Nr 96. 16 bitti.

Nr 97. 20,3 minutit.

Kirjandus

1. Õpik: Arvutiteadus, probleemraamat-töötuba, 1. köide, toimetanud I.G. Semakin, E.K. Henner)

2. Pedagoogiliste ideede festival “Avatud tund” Heli. Heliteabe binaarne kodeerimine. Supryagina Jelena Aleksandrovna, informaatikaõpetaja.

3. N. Ugrinovitš. Arvutiteadus ja infotehnoloogia. 10-11 klassid. Moskva. Binoom. Teadmuslabor 2003.

Inimkõrv tajub heli sagedustel, mis jäävad vahemikku 20 vibratsiooni sekundis (madal heli) kuni 20 000 vibratsiooni sekundis (kõrge heli).

Inimene suudab heli tajuda suures intensiivsuse vahemikus, mille maksimaalne intensiivsus on 10 14 korda suurem kui miinimum (sada tuhat miljardit korda). Helitugevuse mõõtmiseks kasutatakse spetsiaalset seadet "detsibell"(dbl) (tabel 5.1). Helitugevuse vähenemine või suurendamine 10 dbl võrra vastab helitugevuse vähenemisele või suurenemisele 10 korda.

Heli aja proovivõtt. Selleks, et arvuti saaks heli töödelda, tuleb pidev helisignaal ajasamplit kasutades teisendada digitaalseks diskreetseks vormiks. Pidev helilaine jagatakse eraldi väikesteks ajutisteks sektsioonideks ja iga sellise lõigu jaoks määratakse kindel helitugevuse väärtus.

Seega on helitugevuse pidev sõltuvus ajast A(t) asendatud diskreetse helitugevuse tasemete jadaga. Graafikul näeb see välja nagu sujuva kõvera asendamine "sammude" jadaga (joonis 1.2).

Riis. 1.2. Heli ajaproovide võtmine

Proovivõtu sagedus. Analoogheli salvestamiseks ja digitaalseks teisendamiseks kasutatakse helikaardiga ühendatud mikrofoni. Saadud digitaalheli kvaliteet sõltub helitugevuse taseme mõõtmiste arvust ajaühikus, s.o. proovivõtusagedused. Mida rohkem mõõtmisi sekundis tehakse (mida kõrgem on diskreetimissagedus), seda täpsemalt järgib digitaalse helisignaali “redel” dialoogisignaali kõverat.

Heli diskreetimissagedus on helitugevuse mõõtmiste arv ühes sekundis.

Heli diskreetimissagedus võib olla vahemikus 8000 kuni 48 000 helitugevuse mõõtmist sekundis.

Heli kodeerimise sügavus. Igale "astmele" on määratud konkreetne helitugevuse tase. Helitugevuse tasemeid võib käsitleda kui võimalike olekute N kogumit, mille kodeerimiseks on vaja teatud kogust informatsiooni I, mida nimetatakse heli kodeerimise sügavuseks.

Heli kodeerimise sügavus on teabe hulk, mis on vajalik digitaalse heli diskreetse helitugevuse kodeerimiseks.

Kui kodeerimissügavus on teada, saab digitaalse helitugevuse tasemete arvu arvutada valemiga N = 2 I. Olgu heli kodeeringu sügavus 16 bitti, siis helitugevuse tasemete arv on võrdne:

N = 2 I = 216 = 65 536.

Kodeerimisprotsessi ajal määratakse igale helitugevuse tasemele oma 16-bitine kahendkood, madalaim helitase vastab koodile 0000000000000000 ja kõrgeim - 11111111111111111.

Digitaliseeritud helikvaliteet. Mida kõrgem on heli sagedus ja sämplimissügavus, seda kõrgem on digiteeritud heli kvaliteet. Madalaim digiteeritud heli kvaliteet, mis vastab telefoniside kvaliteedile, saadakse diskreetimissagedusega 8000 korda sekundis, diskreetimissügavusega 8 bitti ja ühe heliraja salvestamisega (monorežiim). Kõrgeima kvaliteediga digiteeritud heli, mis vastab audio-CD kvaliteedile, saavutatakse diskreetimissagedusega 48 000 korda sekundis, diskreetimissügavusega 16 bitti ja kahe heliriba salvestamisega (stereorežiim).

Tuleb meeles pidada, et mida kõrgem on digitaalse heli kvaliteet, seda suurem on helifaili teabe maht. Saate hinnata keskmise helikvaliteediga (16 bitti, 24 000 mõõtmist sekundis) 1-sekundilise heli kestusega digitaalse stereohelifaili teabemahtu. Selleks tuleb kodeerimissügavus korrutada mõõtmiste arvuga 1 sekundi jooksul ja korrutada 2-ga (stereoheli):

16 bitti × 24 000 × 2 = 768 000 bitti = 96 000 baiti = 93,75 KB.

Helitoimetajad. Heliredaktorid võimaldavad heli mitte ainult salvestada ja taasesitada, vaid ka seda redigeerida. Digiteeritud heli esitatakse heliredaktorites visuaalsel kujul, nii et heliriba osade kopeerimise, teisaldamise ja kustutamise toiminguid saab hõlpsasti teha hiirega. Lisaks saate heliribasid üksteise peale asetada (helid miksida) ja rakendada erinevaid akustilisi efekte (kaja, tagurpidi taasesitus jne).

Heliredaktorid võimaldavad teil muuta digitaalse heli kvaliteeti ja helifaili suurust, muutes diskreetimissagedust ja kodeerimissügavust. Digiteeritud heli saab salvestada pakkimata helifailidesse universaalses vormingus WAV või tihendatud kujul MP3.

Heli kokkusurutud vormingus salvestamisel jäetakse kõrvale madala intensiivsusega helisagedused, mis on inimese taju jaoks "liigsed" ja langevad ajaliselt kokku kõrge intensiivsusega helisagedustega. Selle vormingu kasutamine võimaldab helifaile kümneid kordi tihendada, kuid toob kaasa pöördumatu teabekao (faile ei saa taastada algsel kujul).

Turvaküsimused

1. Kuidas diskreetimissagedus ja kodeerimissügavus mõjutavad digitaalse heli kvaliteeti?

Ülesanded iseseisvaks täitmiseks

1.22. Valikuline reageerimisülesanne. Helikaart tekitab analooghelisignaali binaarse kodeeringu. Kui palju teavet on vaja iga 65 536 võimaliku signaali intensiivsuse taseme kodeerimiseks?
1) 16 bitti; 2) 256 bitti; 3) 1 bitt; 4) 8 bitti.

1.23. Üksikasjaliku vastusega ülesanne. Hinnake 10 sekundit kestvate digitaalsete helifailide teabemahtu sellisel kodeerimissügavusel ja helisignaali diskreetimissagedusel, mis tagab minimaalse ja maksimaalse helikvaliteedi:
a) mono, 8 bitti, 8000 mõõtmist sekundis;
b) stereo, 16 bitti, 48 000 mõõtmist sekundis.

1.24. Üksikasjaliku vastusega ülesanne. Määrake helifaili kestus, mis mahub 3,5-tollisele disketile (pidage meeles, et sellisele disketile on andmete salvestamiseks eraldatud 2847 sektorit, igaüks 512 baiti):
a) madala helikvaliteediga: mono, 8 bitti, 8000 mõõtmist sekundis;
b) kõrge helikvaliteediga: stereo, 16 bitti, 48 000 mõõtmist sekundis.