Цифровой звук. Реальный мир стр.30

Частота дискретизации и ширина полосы частот сигнала

Частота дискретизации — это параметр, значение которого указывает, как часто АЦП осуществляет выборку мгновенных значений сигнала; отсчеты в первом приближении можно представить себе как последовательность кадров видеозаписи. Если АЦП осуществляет выборку сигнала десять раз в секунду, то частота дискретизации составляет 10 Гц.

Ширина полосы частот АЦП определяется частотой дискретизации, но не так просто, как может показаться на первый взгляд. Верхняя граница полосы частот оказывается вдвое меньше частоты дискретизации. При частоте дискретизации 10 Гц максимальная частота сигнала, который можно зарегистрировать, составит не 10, а всего 5 Гц. Суть в том, что, если частота, с которой берутся отсчеты мгновенных значений колебания определенной частоты, оказывается ниже двукратной частоты колебания, невозможно зарегистрировать все полуволны этого колебания — часть из них пропускается.

Если частота сигнала превосходит верхний предел частоты, при которой АЦП способен осуществить точное аналого-цифровое преобразование сигнала, возникает эффект, получивший название aliasing — наложение спектров, что приводит к искажению сигнала в результате искусственного занижения частоты высокочастотных составляющих его спектра. Причина возникновения такого эффекта, как наложение спектров, в цифровой аудиоаппаратуре кроется обычно в недостатках схемы аналого-цифрового преобразователя, но музыканты и композиторы куда чаще слышат искажения звука, вызванные этим эффектом, синтезируя высокие тоны с помощью программных цифровых синтезаторов. Если в таком синтезаторе не используется специальная технология сглаживания (antialiasing), высокие ноты могут превратиться в звуки непрогнозируемой тональности.

Для того чтобы такого эффекта, как наложение спектров, не возникало, частота дискретизации должна хотя бы вдвое превышать максимальную частоту колебания, выборку которого необходимо осуществить. Почему вдвое выше? Чем выше частота звукового колебания, тем чаще следуют друг за другом его верхние (“горбы”) и нижние (“провалы”) полуволны, тем они ближе друг к другу по времени. Если частота дискретизации сигнала по времени недостаточна для того, чтобы осуществить выборку сигнала на каждой (верхней и нижней) без исключения полуволне, то аналоговый сигнал, полученный при обратном преобразовании такого цифрового сигнала, будет сильно отличаться от исходного (рис. 1.19). Если частота аналогового сигнала превышает частоту дискретизации более чем вдвое, исходная частота сигнала будет потеряна. При прослушивании такого сигнала — записанного или синтезированного — вы услышите звук другой частоты, как видно из рис. 1.19. Эта новая частота, появившаяся в результате аналого-цифрового преобразования, называется ложной частотой или побочной низкочастотной составляющей (в спектре дискретизированного сигнала). Происходит как бы “заворачивание” (fold-over) спектральных составляющих сигнала, частоты которых оказываются выше верхнего предела частоты аналого-цифрового преобразования, в область более низких частот, которые находятся в пределах рабочего диапазона частот используемого АЦП.