в чем суть fm метода кодирования звука
Кодирование звуковой информации. Метод FM. Метод WT
В процессе кодирования непрерывного звукового сигнала производится его временная дискретизация. Непрерывная звуковая волна разбивается на отдельные маленькие временные участки, причем для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.
Т.о. при двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется последовательностью дискретных уровней сигнала.
Метод FM. Основан та том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, т.е. являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальный устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)
Метод WT.Метод таблично волнового (Wave-Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментах. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звучания. Поскольку в качестве образцов исполняются реальные звуки, то его качество получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
15.Определение системы счисления, цифры, непозиционной и позиционной системы счисления, основания.
Система счисле́ния
В зависимости от способа изображения чисел с помощью цифр системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.
В позиционной системе счисления любое число записывается в виде последовательности цифр:
— символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков.
*даёт представления множества чисел (целых и/или вещественных);
*даёт каждому числу уникальное представление (или, по крайней мере, стандартное представление);
*отражает алгебраическую и арифметическую структуру чисел.
Системы счисления подразделяются на позиционные, непозиционные и смешанные.
*В позиционных системах счисления один и тот же числовой знак (цифра) в записи числа имеет различные значения в зависимости от того места (разряда), где он расположен.
*В непозиционных системах счисления величина, которую обозначает цифра, не зависит от положения в числе. При этом система может накладывать ограничения на положение цифр, например, чтобы они были расположены в порядке убывания.
16. Правило перевода: 1)числа из q-ичной СС в десятичную ; 2)целого числа из 10-ной в q-ичную ; 3)десятичные дроби в q-ичную; 4)нецелого числа из 10 в q-ичную. Арифметика двоичной системы счисления.
17.Основы машиной арифметики:
Целые числа в ЭВМ могут быть представлены в виде:
прямого кода. Прямой код двоичного числа совпадает по изображению с записью самого числа.
обратного кода. Обратный код для положительного числа совпадает с прямым кодом. Для отрицательного числа все цифры числа заменяются на противоположные (1 на 0, 0 на 1), а в знаковый разряд заносится единица.
дополнительного кода. Дополнительный код положительного числа совпадает с прямым кодом. Для отрицательного числа дополнительный код образуется путем получения обратного кода и добавлением к младшему разряду единицы.
18.Формы представления чисел в ЭВМ. В вычислительных машинах применяются две формы представления чисел:
*естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой);
*нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой);
Естественная форма
В форме с фиксированной запятой в разрядной сетке выделяется строго определенное число разрядов для целой и для дробной частей числа. Левый (старший) разряд хранит признак знака (0 – «+», 1 – «-«) и для записи числа не используется.
Сама запятая никак не изображается, но ее место строго фиксировано и учитывается при выполнении всех операций с числами. Независимо от положения запятой в машину можно вводить любые числа, т.к.
Естественная форма числа в неявном, условном виде реализуется формулой:
т.е. число записывается только с помощью набора значащих цифр xj без явного указания их весов и знаков сложения между ними. Отсчет ведется от точки, которая обычно фиксируется между целой и дробной частями числа.
С фиксированной запятой числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной(например, 32,54; 0,0036; –108,2). Форма представления чисел с фиксированной запятой упрощает аппаратную реализацию ЭВМ, уменьшает время выполнения машинных операций, однако при решении задач на машине необходимо постоянно следить за тем, чтобы все исходные данные, промежуточные и окончательные результаты находились в допустимом диапазоне представления. Если этого не соблюдать, то возможно переполнение разрядной сетки, и результат вычислений будет неверным. От этих недостатков в значительной степени свободны ЭВМ, использующие форму представления чисел с плавающей точкой, или нормальную форму. В современных компьютерах форма представления чисел с фиксированной запятой используется только для целых чисел.
С плавающей запятой (ПЛЗ) числа изображаются в виде:
Tо есть нормальная форма реализуется формулой: 
Нормальная форма представления имеет огромный диапазон чисел и является основной в современных ЭВМ.
В конкретной ЭВМ диапазон представления чисел с плавающей запятой зависит от основания системы и числа разрядов для представления порядка. При этом у одинаковых по длине форматов чисел с плавающей запятой с увеличением основания системы счисления существенно расширяется диапазон представляемых чисел. Точность вычислений при использовании формата с плавающей запятой определяется числом разрядов мантиссы. Она увеличивается с увеличением числа разрядов.
Алгоритм представления числа с плавающей запятой:
перевести число из p-ичной системы счисления в двоичную;
представить двоичное число в нормализованной экспоненциальной форме;
рассчитать смещённый порядок числа;
разместить знак, порядок и мантиссу в соответствующие разряды сетки.
При представлении информации в виде десятичных многоразрядных чисел каждая десятичная цифра заменяется двоично-десятичным кодом. Для ускорения обмена информацией, экономии памяти и удобства операций над десятичными числами предусматриваются специальные форматы их представления: зонный (распакованный) и упакованный. Зонный формат используется в операциях ввода-операций. Для этого в ЭВМ имеются специальные команды упаковки и распаковки десятичных чисел.
Кодирование звуковой информации
Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Можно выделить два основных направления.
Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.
Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
Вопросы для ПОВТОРЕНИЯ И самоконтроля
1. Во сколько раз нужно увеличить количество разрядов в системе двоичного кодирования, для увеличения в два раза количества значений, которое может быть выражено в данной системе?
2. Какое количество целых чисел позволит закодировать восьми разрядное двоичное число?
3. Какое количество целых чисел позволит закодировать шестнадцати разрядное двоичное число?
4. Что такое «нормализованная форма» числа?
5. Что такое «мантисса» и «характеристика» номализованного числа?
6. Каким способом кодируются символы алфавита?
7. Как назвывается система кодирования текстовых данных, принятых в англоязычных странах?
8. Чем между собой отличаются системы кодирования текстовых данных Windaws-1251, КОИ-8, ISO, UNICODE?
9. Какое свойство характеризует показатель «мощность алфавита»?
10. Назовите два основных способа представления графических изображений.
11. Какая связь между «пикселем» и «растром»?
12. Сколькими разрядами представляется черно-белое изображение без градации серого цвета?
13. Сколькими разрядами представляется черно-белое изображение с градацией серого цвета?
14. Какие три основных цвета применяют для кодирования графических изображений?
15. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме True Color
16. Какие дополнительные цвета применяют для кодирования графических изображений?
17. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме полноцветного True Color
18. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме High Color?
19. Что такое «векторное изображение»?
20. Какие два основных метода кодирования звуковой информации вам известны? В чем их различие?
Кодирование звуковой информации
Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Можно выделить два основных направления.
Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.
Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков. В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
Вопросы для ПОВТОРЕНИЯ И самоконтроля
1. Во сколько раз нужно увеличить количество разрядов в системе двоичного кодирования, для увеличения в два раза количества значений, которое может быть выражено в данной системе?
2. Какое количество целых чисел позволит закодировать восьми разрядное двоичное число?
3. Какое количество целых чисел позволит закодировать шестнадцати разрядное двоичное число?
4. Что такое «нормализованная форма» числа?
5. Что такое «мантисса» и «характеристика» номализованного числа?
6. Каким способом кодируются символы алфавита?
7. Как назвывается система кодирования текстовых данных, принятых в англоязычных странах?
8. Чем между собой отличаются системы кодирования текстовых данных Windaws-1251, КОИ-8, ISO, UNICODE?
9. Какое свойство характеризует показатель «мощность алфавита»?
10. Назовите два основных способа представления графических изображений.
11. Какая связь между «пикселем» и «растром»?
12. Сколькими разрядами представляется черно-белое изображение без градации серого цвета?
13. Сколькими разрядами представляется черно-белое изображение с градацией серого цвета?
14. Какие три основных цвета применяют для кодирования графических изображений?
15. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме True Color
16. Какие дополнительные цвета применяют для кодирования графических изображений?
17. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме полноцветного True Color
18. Сколько разрядов двоичных чисел надо использовать для представления графической информации в режиме High Color?
19. Что такое «векторное изображение»?
20. Какие два основных метода кодирования звуковой информации вам известны? В чем их различие?
Дата добавления: 2015-11-26 ; просмотров: 925 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Кодирование звуковой информации
Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графических данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но если говорить обобщенно, то можно выделить два основных направления.
Метод FM (FrequencyModulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду и, следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства – аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.
Метод таблично-волнового (Wave— Table) синтеза лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (хотя не только для них). В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
Заканчивая рассмотрение вопроса кодирования информации, обратим внимание на один важный момент. Возьмем какой-либо двоичный код, например 10001100. Можно утверждать, что это код буквы «М». С другой стороны, можно сказать, что этим кодом задается цвет одного из пикселов монохромного изображения. Если воспользоваться правилами перевода из двоичной системы в десятичную, то можно утверждать, что это код числа +14010. Что же это на самом деле?
Интерпретация, то есть истолкование смысла одного и того же машинного кода, может быть самой разной. Один и тот же код разными программами может рассматриваться и как число, и как текст, и как изображение, и как звук. Как трактуется тот или иной машинный код, определяется обрабатывающей этот код программой.
Учитель информатики
Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.
Кодирование звуковой информации
Информатика. 10 класса. Босова Л.Л. Оглавление
§ 16. Кодирование звуковой информации
16.1. Звук и его характеристики
Звук — это распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде волны с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Звуковая волна
На практике вместо абсолютной используют относительную силу (уровень) звука, измеряемую в децибелах (дБ). Вот некоторые значения уровня звука:
Частота определяется как количество колебаний в секунду и выражается в герцах (Гц). Чем больше частота, тем выше звук, и наоборот. Человек способен слышать звук в широком частотном диапазоне, но важное для жизни значение имеют только звуки от 125 до 8000 Гц.
Например, звуковые волны в диапазоне 500-4000 Гц соответствуют человеческому голосу. Звучание детского голоса, пение птиц, шёпот относятся к высоким частотам. Звук контрабаса, рычание зверей, раскаты грома — к низким.
16.2. Понятие звукозаписи
Звукозапись — это процесс сохранения информации о параметрах звуковых волн.
Способы записи звука разделяются на аналоговые и цифровые. При аналоговой записи на носителе размещается непрерывный «слепок» звуковой волны. Так, на грампластинке пропечатывается непрерывная канавка, изгибы которой повторяют амплитуду и частоту звука.
Аналоговый способ записи звука
Цифровой способ записи звука
16.3. Оцифровка звука
Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму. Для этого его подвергают временной дискретизации и квантованию: параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определённые промежутки времени (временная дискретизация); результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (квантование).
Вообще говоря, в компьютер приходит не сам звук, а электрический сигнал, снимаемый с какого-либо устройства: например, микрофон преобразует звуковое давление в электрические колебания, которые в дальнейшем и обрабатываются.
Если записывается стереозвук (ведётся двухканальная запись), то оцифровке подвергается не один электрический сигнал, а сразу два и, следовательно, количество сохраняемой цифровой информации удваивается.
Сущность временной дискретизации заключается в том, что аналоговый звуковой сигнал разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определённая величина интенсивности звука (рис. 3.13). Другими словами, через какие-то промежутки времени мы измеряем уровень аналогового сигнала. Количество таких измерений за одну секунду называется частотой дискретизации.
Частота дискретизации — это количество измерений громкости звука за одну секунду.
Рис. 3.13. Временная дискретизация звукового сигнала (А(t) — амплитуда, t — время)
Частота дискретизации измеряется в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). 1 кГц = 1000 Гц. Частота дискретизации, равная 100 Гц, означает, что за одну секунду проводилось 100 измерений громкости звука.
Качество звукозаписи зависит не только от частоты дискретизации, но также и от глубины кодирования звука.
Глубина кодирования звука или разрешение — это количество информации, которое необходимо для кодирования дискретных уровней громкости цифрового звука.
В результате измерений звукового сигнала (см. рис. 3.13) на каждой его «ступеньке» будет получено некоторое значение громкости, при этом все результаты измерений будут лежать в некотором диапазоне.
Пусть под запись одного результата измерения громкости в памяти компьютера отведено n бит. Вы знаете, что это позволяет закодировать ровно 2 n разных результатов измерений. Так, при n = 8 можно закодировать 256 разных результатов измерений громкости звука. Поэтому весь диапазон, в котором могут находиться результаты измерений громкости звука, можно разбить на 256 разных поддиапазонов — уровней громкости звука, каждому из которых присвоить свой уникальный код. После этого каждый имеющийся результат измерений громкости звука можно соотнести с некоторым поддиапазоном, в который он попадает, и кодировать его номером (кодом) соответствующего уровня громкости.
В зависимости от ситуации на практике используются разные значения частоты дискретизации и глубины кодирования (табл. 3.13).
Таблица 3.13
Примеры параметров оцифровки звука
Пример. Оценим объём звукового стереоаудиофайла с глубиной кодирования 16 бит и частотой дискретизации 44,1 кГц, который хранит звуковой фрагмент длительностью звучания 15 секунд.
Объём такого звукового фрагмента равен:
2 (канала) • 16 бит • 44 100 Гц • 15 с = 2 646 000 байт ≈ 2 584 Кбайта.
Увеличивая частоту дискретизации и глубину кодирования, можно более точно сохранить и впоследствии восстановить форму звукового сигнала. При этом объём сохраняемых данных будет увеличиваться.
Важно понимать, каких параметров оцифровки достаточно, чтобы сохраняемый звук был достаточно близок к исходному, а содержащий его файл имел минимально возможный объём. В начале 30-х годов прошлого века было установлено, что это возможно, если частота временной дискретизации будет в два раза выше максимальной частоты измеряемого сигнала.
В 1928 году американский учёный Гарри Найквист высказал утверждение, что частота дискретизации должна быть в два или более раза выше максимальной частоты измеряемого сигнала. В 1933 году наш соотечественник В. А. Котельников и независимо от него американец Клод Шеннон в 1949 году сформулировали и доказали теорему, более сильную чем утверждение Найквиста, о том, при каких условиях и как по дискретным значениям можно восстановить форму непрерывного сигнала.
САМОЕ ГЛАВНОЕ
Звук — это распространяющиеся в воздухе, воде или другой среде волны с непрерывно меняющейся амплитудой и частотой.
Чтобы компьютер мог обрабатывать звук, непрерывный звуковой сигнал должен быть преобразован в цифровую дискретную форму. Для этого его подвергают временной дискретизации и квантованию: параметры звукового сигнала измеряются не непрерывно, а через определённые промежутки времени (временная дискретизация); результаты измерений записываются в цифровом виде с ограниченной точностью (квантование).
Таким образом, при оцифровке звука искажение сохраняемого сигнала происходит дважды: во-первых, при дискретизации теряется информация об истинном изменении звука между измерениями, а во-вторых, при квантовании сохраняются не точные, а близкие к ним дискретные значения.
Объём оцифрованного звукового фрагмента в битах находится как произведение частоты дискретизации в Гц, глубины кодирования звука в битах, длительности звучания записи в секундах и количества каналов.
Вопросы и задания
1. Каким образом происходит преобразование непрерывного звукового сигнала в дискретный цифровой код?
2. Как частота дискретизации и глубина кодирования влияют на качество цифрового звука?
3. Производится четырёхканальная (квадро) звукозапись с частотой дискретизации 32 кГц и 32-битным разрешением. Запись длится 4 минуты, её результаты заносятся в файл, сжатие данных не производится. Определите приблизительно размер полученного файла (в мегабайтах). В качестве ответа укажите ближайшее к размеру файла целое число, кратное 10.
4. Музыкальный фрагмент был записан в формате моно, оцифрован и сохранён в виде файла без использования сжатия данных. Размер полученного файла — 49 Мбайт. Затем тот же музыкальный фрагмент был записан повторно в формате стерео (двухканальная запись) и оцифрован с разрешением в 4 раза выше и частотой дискретизации в 3,5 раза меньше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Укажите в мегабайтах размер файла, полученного при повторной записи.
5. Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без использования сжатия данных. Получившийся файл был передан в город А по каналу связи за 32 секунды. Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с разрешением в 3 раза выше и частотой дискретизации в 3 раза выше, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б. Пропускная способность канала связи с городом Б в 2 раза выше, чем канала связи с городом А. Сколько секунд длилась передача файла в город Б?
6. Музыкальный фрагмент был оцифрован и записан в виде файла без использования сжатия данных. Получившийся файл был передан в город А по каналу связи за 96 секунд. Затем тот же музыкальный фрагмент был оцифрован повторно с разрешением в 4 раза выше и частотой дискретизации в 3 раза ниже, чем в первый раз. Сжатие данных не производилось. Полученный файл был передан в город Б за 16 секунд. Во сколько раз пропускная способность канала связи с городом Б больше пропускной способности канала связи с городом А?
7. В сети Интернет найдите информацию о записи музыкальных произведений в формате MIDI. Почему запись звука в этом формате считают аналогичной векторному методу кодирования графических изображений?
Дополнительные материалы к главе смотрите в авторской мастерской.
Оглавление
§ 15. Кодирование графической информации
§ 16. Кодирование звуковой информации