Как ЦАПают звук

Вадим Воронин & audiotest team

Спецвыпуск Xakep, номер #044, стр. 044-004-2

Что такое хорошо и что такое плохо

Мысленно соединив отрезками соседние выборки (на рисунке они выделены красными точками), ты легко можешь представить, как будет выглядеть оцифрованный сигнал. Получившаяся кривая внешне будет похожа на исходную (аналоговую) функцию, но точно ее повторять не будет. А если не повторяет точно - то и не передает все нюансы, что не есть хорошо. Если же делать выборки чаще, получится более точная картина. Таким образом, чем чаще мы будем делать выборки, тем точнее сможем передать исходный недискретный сигнал.

И вот здесь наша цифровая коса находит на аналоговый камень: получается, что для того, чтобы полностью восстановить исходный сигнал, мы должны сделать бесконечное количество выборок. То есть нам придется оперировать действительными числами для выражения координат выборок. Но поскольку у нас в распоряжении есть только натуральные величины, мы можем только бесконечно приближаться к внешнему виду исходной кривой, но никогда в точности не повторим его.

Это и есть тот недостаток "цифры", из-за которого цифровой сигнал всегда будет принципиально менее "правильным", чем аналоговый. Именно поэтому некоторые звукозаписывающие студии по сей день изначально производят запись звука на широкую магнитную (аналоговую) ленту и лишь впоследствии оцифровывают аудиоматериал.

Как это происходит

Пришло время подробно рассмотреть процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой. Несложно догадаться, что этот процесс называется аналого-цифровым преобразованием. А устройства, осуществляющие процесс, - аналого-цифровыми преобразователями, сокращенно АЦП (по-буржуйски - ADC, Audio-to-Digital Converter). Процесс обратного преобразования называется, соответственно, цифро-аналоговым, а устройство для осуществления этого преобразования - ЦАП (DAC).

Еще разок кинь взгляд на график. Как уже выяснили, красные точки на кривой исходного сигнала - это дискретные импульсы, последовательное воспроизведение которых и есть цифровой поток аудиоданных. Теперь рассмотрим алгоритм преобразования исходного сигнала в совокупность импульсов. Каждый дискретный импульс описывается его координатами в двух измерениях, оцифрованный сигнал есть совокупность значений этих координат. Следовательно, для того чтобы оцифровать сигнал, необходимо в определенные моменты времени присваивать некоторые значения амплитуде сигнала, то есть его напряжению. Вот здесь мы и подошли вплотную к двум ключевым понятиям: дискретизации и квантованию.

Дискретизация

Дискретизация сигнала - процесс преобразования непрерывного аналогового сигнала в последовательность выборок значений этого сигнала, сделанных в определенные моменты времени. Чем меньше расстояние между выборками в цифровом сигнале, тем точнее передан исходный сигнал. Но каждая выборка - это значение, а чем больше значений, тем больше "весит" файл с записью сигнала. То есть если при оцифровке сигнала делать бесконечное множество выборок, то звуковой файл будет весить бесконечно много байт. И для того чтобы не покупать за бесконечное количество денег хард бесконечного объема, просто необходимо определиться с тем, как часто нужно делать дискретные выборки.