Взаимосвязь качества звука и частоты дискретизации

Опубликовано 27.03.2010 Ведущий Евгений Глазков

Преобразование аналогового сигнала в цифровой состоит из двух этапов: дискретизации по времени и квантования по амплитуде. Дискретизация по времени означает, что сигнал представляется рядом отсчетов (сэмплов), взятых через равные промежутки времени.
Основной вопрос на первом этапе преобразования аналогового сигнала в цифровой (оцифровки) состоит в выборе частоты дискретизации аналогового сигнала. Чем больше частота, тем точнее соответствует цифровой сигнал аналоговому.
Однако пропорционально увеличению частоты возрастают: а) интенсивность потока цифровых данных, а пропускные возможности интерфейсов не безграничны, особенно если записывается, воспроизводится одновременно несколько каналов; б) вычислительная нагрузка на цифровые процессоры, а их вычислительные возможности также ограничены; в) объем памяти, необходимой для хранения цифрового сигнала.
Очевидно, что необходим компромисс. От выбора частоты дискретизации зависит частотный диапазон полученного цифрового звука и максимальная частота аналогового сигнала, правильно представленная в цифровом. Считается, что человек слышит частоты в диапазоне от 20 до 20 000 Гц.
Согласно известной теореме Найквиста, для того, чтобы аналоговый (непрерывный по времени) сигнал можно было точно восстановить по его отсчетам, частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной звуковой частоты. Звуковая частота, равная половине частоты дискретизации, называется частотой Найквиста и является максимальной частотой, которую данная цифровая система может правильно сохранить и воспроизвести. Таким образом, если реальный аналоговый сигнал, который мы собираемся преобразовать в цифровую форму, содержит частотные компоненты от 0 до 20 кГц, то частота дискретизации такого сигнала должна быть не менее 40 кГц.
В компакт-дисках (CD) частота выборки установлена "с запасом" - 44.1 кГц, таким образом, с компакт-диска можно с высокой точностью восстановить сигналы с частотами до 22.05 кГц, что перекрывает возможности самого чуткого уха с лихвой.