Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез
Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.
Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.
Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?
Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).
Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).
Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.
Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).
Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).
Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).
Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).
Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)
Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).
Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:
Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то
Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.
При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.
Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением 
и квантованным значением 
(
)
Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).
Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).
Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).
Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.
50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.
Теперь о дискретизации.
Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то 
Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).
Теорема Котельникова гласит:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.
Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?
Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.
Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от
100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.
Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг
Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.
Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.
Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):
Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов
Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s
При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.
При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.
Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.
При заданном битрейте качество VBR обычно выше чем ABR. Качество ABR в свою очередь выше чем CBR: VBR > ABR > CBR.
ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.
Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:
Несжатый (RAW) формат данных
Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.
Аудиоформаты с сжатием без потерь
Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.
Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.
Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).
Кодеки сжатия без потерь: flac, WavPack, Monkey’s Audio…
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.
Кодеки сжатия с потерям: mp3, aac, ogg, wma, Musepack…
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
ЗВУКОМАНИЯ
Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео
Что такое битрейт в музыке
Что такое битрейт в музыке
I wanna rock&roll all night или что такое битрейт в музыке?
Битрейт — скорость бита (bit rate). «В каком смысле?», — спросите вы. А вот в прямом. Битрейт — это некая часть передаваемой информации за определенный промежуток времени с определенной скоростью. Указывается он в kbps/s (килобит/сек).
Что такое битрейт в музыке
Битрейт бывает двух типов:
Внутренний — то количество бит, передающееся в секунду;
Внешний — скорость потока данных и его величина для передачи в реальном времени (чтобы смотреть фильм или слушать музыку).
Напомню, что обычно высокий битрейт обозначает лучшее качество, однако, это может зависит от исходного файла.
Как узнать битрейт определенного файла?
Обычно его можно найти прямо в проигрывателе. 
или (если не получается найти в проигрывателе) открыв Свойства (композиции) — Подробно.
А в чем разница-то, давайте разберемся, что такое битрейт в музыке?
Поговаривают, что особой разницы не ощущается. 🙂 На мой взгляд)) (слух), музыку нужно слушать не через колонки за 100 рублей и уж тем более не через динамик ноутбука. С солидным усилителем и колонками все сразу встает на свои места — не звук, а какофония, если битрейт ниже 120 kbps.
Различны битрейты для людей, работающих со звуком. Ну а для домашнего прослушивания подойдет любой битрейт, даже самый низкий. Тут уж, как говорят, на любителя.
Raspberry Pi 4 + клон Зил
Не забывайте сохранять нас в закладках! (CTRL+SHiFT+D)
Подписывайтесь, комментируйте, делитесь в соц.сетях. Желаю удачи в поиске именно своего звука!
На нашем сайте Звукомания есть полезная информация по звуку и видео, которая пригодится для каждого, причем на каждый день, мы обновляем сайт «Звукомания» постоянно и стараемся искать и писать только отличную, проверенную и нужную информацию.
Что такое битрейт? Подробная характеристика
Битрейт – это не просто непонятное слово, это важнейший показатель аудио или видео. Вы уже знакомы с этой характеристикой медиафайлов? Если нет – приступайте к нашем обзору, мы подробно рассказываем все необходимое!
Что это такое
Битрейт (ширина потока/ ширина пропускной полосы) – это количество бит (единиц информации), используемых для передачи и обработки данных за секунду времени воспроизводимого файла. Иначе говоря – минимальное значение канала, способного пропускать поток без задержек. Мерой измерения служат биты/сек и производные величины – кбит/сек, мбит/сек и другие.
Разобрались, что это за битрейт видео/ аудио? Вы удивитесь, но существует несколько разновидностей ширины пропускной полосы. Доходчиво объясняем, на какие типы можно поделить.
Для КС:ГО есть минимальные требования устройства? Ответ читай уже в этой статье
Существует несколько режимов сжатия потока – стоит изучить каждый из них. Важно понимать все тонкости – только так можно окончательно разобраться, что это такое – битрейт.
Как мы и сказали выше, типов всего три. Пройдемся по каждому.
Постоянный (Constant bitrate, CBR)
Заданное значение не меняется на всем протяжении файла: каждой секунде соответствует определенное – и одинаковое – количество закодированных бит данных (даже когда речь о тишине). Используется чаще при обработке файлов с постоянными характеристиками звучания и изображения.
Переменный (Variable, VBR)
Заданное пользователем число автоматически меняется программой-кодером в процессе кодирования (для каждого кадра, согласно его характеристикам). Такая технология используется для достижения наилучшего соотношения размера и качества.
Усредненный (Average, ABR)
Усредненный битрейт – это сочетание первых двух типов! Используется при создании крупных проектов – при небольшом размере файла можно добиться высочайшего качества кодирования, при этом точность расчета размера значительно выше. Значение в кбит/сек задается пользователем (как при CBR), а программа уже варьирует его в определенных пределах (как при VBR).
Изучение существующих типов позволяет понять, на что влияет битрейт видео и аудио. Чем выше этот показатель, тем выше качество готового мультимедиа-продукта! Это степень сжатия – чем сильнее сигнал сжимается, тем хуже качество и меньше размер. И наоборот!
Стандартные значения
Обязательно нужно запомнить общепринятые стандарты – ориентируйтесь на них при работе с определенным видом контента. Сначала битрейт аудио:
Давайте поговорим о том, какой битрейт видео выбрать! Приводим усредненные значения, которыми можно пользоваться – в зависимости от ситуации. Если вы внимательно изучите список, то поймете, как сильно отличаются цифры.
Существует усредненное значение, которое можно выставлять почти всегда.
При этом нужно учитывать и формат видеоролика! Для наглядности, какой битрейт лучше для видео 1920х1080 в SDR и HDR? В первом случае лучше выставить выставить 8 и 12 mbps (60 кадров/с), а во втором – уже 10 и 15 mbps.
Что такое FPS и какой является оптимальным? Узнай в источнике
Как изменить показатель
Вы уже знаете все о ширине потока – пора разобраться, как узнать битрейт видео и поменять его. В большинстве случаев вам не требуется стороннее программное обеспечение.
Сторонние сервисы нужны, чтобы поменять значение – существует масса онлайн-конвертеров или приложений для десктопа. Рекомендуем обратить внимание на Online Audio Converter, Diktorov.net, AIMP, online-convert.com.
Подробно рассказали, что такое битрейт видео и аудио, привели стандартные значения, рассказали о разновидностях. Теперь вы сможете подобрать оптимальное число и изменить его при необходимости!
Что такое битрейт видео и аудио
Увлекаетесь созданием видео или цените высокое качество в фильмах? Наверняка вам встречалось такое понятие как битрейт. Оно всегда сопутствует техническим характеристикам видеозаписей и по его величине определяется, насколько качественная картинка будет в файле. Работая с конвертерами, вы не раз встретите эту характеристику, поэтому желательно хорошо понимать, за что она отвечает и как влияет на итоговый продукт: ролик или аудиофайл.
Содержание:
Что такое битрейт
Чтобы узнать, что такое битрейт, стоит разобраться, как устроена видеопередача информации. Любой ролик — это сменяющаяся череда картинок. Дабы не появлялось «ощущения слайд-шоу», скорость смены изображений должна быть как минимум 24 кадра/сек. Каждый кадр имеет параметры: ширину и высоту. Чем они выше, тем больше пикселей помещается в одной картинке — тем выше качество.
Каждая «точка», составляющая кадр, имеет вес, и равняется он 1 байту. Возьмём одну Full HD картинку и посчитаем её вес — выйдет порядка двух мегабайт (1920×1080=2 073 600). Таким образом одна секунда видео, содержа в себе 24 кадра, весила бы 48 Мб. Здесь появляется понятие битрейта — это сила сжатия видеоролика.
Т.е. нужный файл, кодируясь, становится меньше в весе. Но от сильного сжатия он может также потерять в качестве. Конечно, на самом деле всё не так однозначно — многое зависит от кодека, который используется для кодирования. Так называется непосредственный способ сжатия. Так, видео в разных форматах, но с одинаковым битрейтом, могут выдавать разные по качеству картинки. Также применимо понятие «битрейт аудио», который обозначает силу сжатия, но уже для аудиопотока.
Виды битрейта
Углубляясь в тему, стоит отметить, что битрейт не всегда бывает одинаковым. И речь сейчас не о количественном показателе, а о делении на виды. Чтобы грамотно работать с конвертацией мультимедиа, почитайте о трёх типах битрейта: постоянный, переменный и усреднённый, являющийся гибридом первых двух.
Постоянный битрейт (CBR)
Как понятно из названия, этот вид битрейта является неизменным во время воспроизведения файла. Такой метод сжатия позволяет довольно точно определить размер выходного файла и обеспечить равномерное качество на протяжении всего просмотра или прослушивания. Но в развлекательной индустрии постоянный битрейт используется редко в силу невозможности подстроить его под динамичное воспроизведение, за счёт чего файлы получаются больше, чем могли бы.
Переменный битрейт (VBR)
Этот вид битрейта гибок и устойчив к изменениям, вследствие чего может подстраиваться под объект воспроизведения и выдавать оптимальный показатель «размер/качество». Например, для кадров или отрезков музыки с пониженной плотностью информации, битрейт уменьшится, тем самым уменьшая вес объекта.
Усредненный битрейт
Этот вид — компромисс между вышеназванными. Проблема переменного битрейта в том, что изменения автоматизированы, и иногда может произойти чрезмерное сжатие. Усреднённый битрейт позволяет пользователю самому задать диапазон, в котором будет происходить вариация сжатия. Правда, техника его использования не так проста и применяется в основном на профессиональных студиях при работе над серьёзными проектами. Дополнительный плюс усреднённого битрейта — он позволяет точнее рассчитать вес файла даже при изменении силы сжатия.
Как узнать битрейт файла
Как же вычислить силу сжатия видео, а соответственно узнать степень его качества. Обрадуем — никаких специальных программ не понадобится, данные о битрейте файла являются основными и доступны для просмотра любому пользователю. Для этого кликните по объекту правой кнопкой мыши и выберите «Свойства». В открывшемся окне найдите вкладку «Подробно», а затем «Скорость передачи данных». Там и будет указан битрейт видео. Если вам нужна информация про аудиофайл — ищите пункт «Скорость потока». Правда, есть несколько форматов, у которых доступ к битрейту усложнён — например, MKV-файлы. Для них нужно воспользоваться специализированным софтом, например MediaInfo.
Какое значение битрейта выставлять
Теперь самое интересное: какой битрейт выбирать при перекодировании фильмов и музыки? Какой битрейт лучше для видео 1920×1080, например?
Естественно, однозначного ответа нет. Нужно учитывать множество факторов: для какой аудитории делается контент, какие кодеки будут участвовать в сжатии и т.д. Ориентируясь на средние значения, для Full HD видео можно сузить диапазон приблизительно до 5-8 Мбит/с для стандартной частоты кадров (FPS). Для повышенной (48-60 FPS) стоит брать значения от 7,5 до 12 Мбит/с. Для аудиодорожки нижним порогом качества является 192 кбит/с, после этого начнутся уже слышимые невооружённым ухом негативные изменения.
Примеры стандартных битрейтов аудио
Чтобы лучше ориентироваться в качестве музыки или голосовых записей, предлагаем вам ознакомиться с таблицей усреднённых значений. Сюда входят варианты кодирования со сжатием (MP3) и без (FLAC, WAVE).
Стандартные битрейты видео
Как изменить битрейт
Чтобы самостоятельно поменять битрейт, вам понадобится качественная программа ВидеоМАСТЕР. Это уникальный конвертер с функциями видеоредактора, который позволит задать пользовательскую силу сжатия, а вдобавок улучшить картинку в фильме, произвести нарезку, перевернуть видео и многое другое. Скачайте ВидеоМАСТЕР произведите установку и приступайте к работе.
Шаг 1. Загрузка видео
Открыв главное меню софта, найдите на левой панели кнопку «Добавить» и кликните по ней. Выберите «Добавить видео или аудио», если нужно изменить только один объект или «Добавить папку», чтобы загрузить сразу несколько.
Также можно сделать запись с вебки или скачать видео с сайта
Шаг 2. Изменение битрейта
Успешно загрузив нужные файлы, щёлкните по кнопке «Параметры», расположенной под окном выбора формата.
Можно выбрать любой кодек: h.264, MPEG4, HEVC
По нажатию появится окно с дополнительными настройками для загруженного файла. Там находится параметр «битрейт» — отдельно для видео и аудио. Кликнув по этому пункту, вы увидите выпадающий список с разными значениями. Остаётся выбрать подходящее вам и нажать «Применить». Таким же образом настраивается битрейт аудио. В этом меню можно задать необходимый кодек, размер и частоту кадра, формат файла и прочие доп. настройки.
Шаг 3. Конвертация
Остаётся только указать папку для сохранения конечного файла и нажать кнопку «Конвертировать», находящуюся под плеером предпросмотра. Процесс завершится буквально за пару минут. Кроме непосредственно форматов в программе есть пресеты для кодирования ролика под мобильный телефон или планшет. Также присутствует инструмент для загрузки видео прямо на YouTube — надо лишь ввести в программу свой логин и пароль от аккаунта.
Теперь вы знаете, как запросто изменить битрейт любого видео или аудио. С программой ВидеоМАСТЕР не составит труда повысить качество видео и добиться его максимального соотношения с размером файла. Данная утилита проста в управлении, обладает приятным русскоязычным меню, а главное — предоставляет широкий набор инструментов для работы с записями. Скачайте ВидеоМАСТЕР сейчас — и все проблемы с битрейтом видеофайлов будут решены!
Популярные вопросы:
Зависит от значения FPS (frames per second). Так обозначается частота смены кадров в секунду. При нормальной частоте (24-30 FPS) битрейт составит 8 Мбит/с. Если ФПС высокий — это повлияет и на битрейт — он станет больше, примерно 12Мбит/с.
Напрямую. Чем выше битрейт, тем лучше качество видео, а значит повышается и вес итогового файла. При сильном сжатии можно добиться совсем незначительного размера, но в музыке или фильме появятся заметные изъяны.