Разрядность квантования сигнала по уровню и соотношение “сигнал— шум”
Частота дискретизации — это параметр, характеризующий количество отсчетов (выборок сигнала, выполняемых аналого-цифровым преобразователем в единицу времени). От значения этого параметра непосредственно зависит ширина полосы частот спектра звука, захватываемой цифровым сигналом, т.е. точность, с которой цифровой сигнал аппроксимирует быстрые изменения во времени значения аналогового сигнала (образно говоря, частота дискретизации характеризует “разрешение” по времени — по оси х временного графика сигнала). Разрядность (глубина) квантования определяет точность, с которой регистрируется мгновенное значение входного сигнала, иными словами — разрешение по уровню сигнала — по оси у временного графика сигнала.
При каждой выборке сигнала АЦП должен измерить мгновенное значение входного аналогового сигнала и присвоить ему, т.е. поставить в соответствие, одно число из дискретного множества чисел. Например, если АЦП может кодировать мгновенное значение сигнала целым числом в пределах от 1 до 8 (т.е., округляя измеренное значение до ближайшего к нему целого числа 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 или 8), то разрядность (глубина) квантования составляет 3 бит (бит — двоичная единица информации, принимает одно из двух значений, 0 или 1; таким образом, поскольку 8 = 2, для записи в двоичном формате чисел от 1 до 8 необходимо трехразрядное, т.е. состоящее из трех битов, двоичное число). Аналого-цифровой преобразователь способен закодировать измеренное мгновенное значение сигнала только одним из этих дискретных значений. Таким образом, он должен округлить промежуточное значение сигнала, лежащее между 2 и 3, присвоив ему одно из двух значений — 2 или 3. Стоит ли говорить, что 3 бит совершенно недостаточно — в первых устройствах цифровой звукозаписи использовались, как правило, 8- и 12-раз-рядные АЦП, а в современной цифровой аудиоаппаратуре нормой стали уже 16- и 24-разрядные АЦП. С добавлением каждого нового бита количество регистрируемых уровней звукового давления удваивается: 16-разрядный аудиосигнал обеспечивает разрешение 65 ООО значений сигнала в пределах заданного диапазона, а 24-битовый — свыше 16 миллионов. Вам, вероятно, известно, что произойдет со звуком, если, разговаривая по мобильному телефону, уменьшить глубину квантования звука. Звук станет неестественным, резким, менее разборчивым и возрастет уровень шумов.
От разрядности (глубины) квантования цифрового сигнала непосредственно зависит динамический диапазон звука: чем она больше, тем шире диапазон уровней сигнала, тем ближе нижняя граница динамического диапазона опускается к уровню фонового шума. Динамический диапазон цифрового сигнала, без сомнения, — важная вещь, учитывая то, насколько огромен динамический диапазон звуков, различаемых нашим слухом. Но куда важнее то, что от разрядности квантования непосредственно зависит точность, с которой цифровой аудиосигнал аппроксимирует аналоговый сигнал. Чем меньше разрядность квантования сигнала, тем меньше восстановленный звук похож на первоначальный, — погрешности аппроксимации аналогового сигнала на слух воспринимаются как шумы. Погрешности округления уровня сигнала, которые называются погрешностями (ошибками) дискретизации (квантования) по уровню сигнала, на слух воспринимаются как шумы.