Az oszlopban az audiofájl becsült hangereje látható. Hangos információk kódolása és feldolgozása

Az oszlopban az audiofájl becsült hangereje látható. Hangos információk kódolása és feldolgozása
Az oszlopban az audiofájl becsült hangereje látható. Hangos információk kódolása és feldolgozása
24.01.2021

Változó amplitúdóval és frekvenciával. Minél nagyobb a jel amplitúdója, annál hangosabban érzékeli az ember. Minél magasabb a jel frekvenciája, annál magasabb a hangja.

1. ábra Hanghullámok oszcillációs amplitúdója

Hanghullám frekvenciája a másodpercenkénti oszcillációk száma határozza meg. Ezt az értéket hertzben (Hz, Hz) mérik.

Az emberi fül a 20 $ Hz és $ 20 $ kHz közötti tartományban érzékeli a hangokat, ezt a tartományt ún. hang. Az egy hangjelhez rendelt bitek számát hívják meg hangkódolási mélység. A modern hangkártyák 16-$, 32-$ vagy 64 dolláros hangkódolási mélységet biztosítanak. A kódolás folyamatában hangos információk a folyamatos jel kicserélődik diszkrét, azaz bináris nullákból és egyesekből álló elektromos impulzusok sorozatává alakul át.

Hang mintavételi frekvencia

Az egyik fontos jellemzőit a hangkódolási folyamatban a mintavételezési frekvencia, amely a jelszint mérések száma $1$ másodpercenként:

  • másodpercenként egy mérés 1$ gigahertz (GHz) frekvenciának felel meg;
  • A másodpercenkénti 1000 $ mérés megfelel $1 $ kilohertz (kHz) frekvenciának.

2. definíció

Hang mintavételi frekvencia a hangerő méréseinek száma egy másodperc alatt.

A mérések száma 8 $ kHz és 48 $ kHz között lehet, az első érték a rádióadás frekvenciájának, a második pedig a zenei média hangminőségének felel meg.

Megjegyzés 1

Minél magasabb a hang frekvenciája és mintavételi mélysége, annál jobban fog szólni a digitalizált hang. A legalacsonyabb minőségű digitalizált hang, amely megfelel a minőségnek telefonos kommunikáció, kiderül, hogy amikor a mintavételezési sebesség 8000-szer másodpercenként, a mintavételi mélység $8$ bit, ami egy hangsáv rögzítésének felel meg ("mono" mód). A digitalizált hang legmagasabb minősége, amely megfelel egy audio CD minőségének, akkor érhető el, ha a mintavételi sebesség 48 000 $ másodpercenként, a mintavételi mélység $ 16 $ bit, ami két hangsáv rögzítésének felel meg (sztereó mód).

Egy hangfájl információs hangereje

Meg kell jegyezni, hogy minél magasabb a minőség digitális hang, annál nagyobb az audiofájl információmennyisége.

Becsüljük meg egy monó audiofájl információs mennyiségét ($V$), ezt a következő képlettel lehet megtenni:

$V = N \cdot f \cdot k$,

ahol $N$ a hang teljes időtartama másodpercben kifejezve,

$f$ - mintavételi frekvencia (Hz),

$k$ - kódolási mélység (bit).

1. példa

Például, ha a hang időtartama $1$ perc, és van egy átlagos hangminőségünk, amelynél a mintavételi frekvencia $24$ kHz, a kódolási mélység pedig $16$ bit, akkor:

$V=60 \cdot 24000 \cdot 16 \ bits=23040000 \ bits=2880000 \ bytes=2812.5 \ KB=2.75 \ MB.$

Sztereó hang kódolásakor a mintavételezési folyamat külön-külön és egymástól függetlenül történik a bal és a jobb csatornán, ami ennek megfelelően növeli a hangerőt hangfájl kétszerese a mono hanghoz képest.

2. példa

Például becsüljük meg egy digitális sztereó hangfájl információs mennyiségét, amelynek a hang időtartama $1$ másodperc átlagos hangminőség mellett ($16$ bit, 24000$ mérés másodpercenként). Ehhez szorozza meg a kódolási mélységet az $1$ másodpercenkénti mérések számával, és szorozza meg $2$-al (sztereó hang):

$V=16 \ bit \cdot 24000 \cdot 2 = 768000 \ bit = 96000 \ bájt = 93,75 \ kb.$

Hanginformációk kódolásának alapvető módszerei

Különféle módszerek léteznek az audio információk bináris kóddal történő kódolására, amelyek között két fő irány van: FM módszerÉs hullámtábla módszer.

FM módszer (frekvencia moduláció) azon a tényen alapul, hogy elméletileg bármilyen összetett hang felbontható különböző frekvenciájú egyszerű harmonikus jelek sorozatára, amelyek mindegyike szabályos szinuszos lesz, ami azt jelenti, hogy kóddal leírható. A hangjelek harmonikus sorozatokra bontásának folyamata és diszkrét formában való megjelenítése digitális jelek speciális eszközökben, az úgynevezett analóg-digitális konverterekben (ADC) fordul elő.

2. ábra Audiojel átalakítása diszkrét jellé

A 2a ábra az ADC bemenetén lévő audiojelet, a 2b ábra pedig az ADC kimenetén lévő, már átalakított diszkrét jelet mutatja.

A numerikus kód formájában megjelenő hang lejátszásakor fordított konverzióhoz digitális-analóg átalakítókat (DAC) használnak. A hangátalakítási folyamat az ábrán látható. 3. Ez a módszer nem biztosít kódolást jó minőségű hang, de kompakt kódot biztosít.

3. ábra: Diszkrét jel átalakítása audiojellé

A 3a ábra a DAC bemeneten lévő diszkrét jelet mutatja, a 3b ábra pedig a DAC kimenet audiojelét.

Táblázat-hullám módszer (Hullám asztal) azon alapul, hogy a környező világ hangjainak, hangszereknek stb. mintáit előre elkészített táblázatokban tárolják A numerikus kódok kifejezik a hang magasságát, időtartamát és intenzitását, valamint egyéb paramétereket, amelyek a hangszer jellemzőit jellemzik. a hang. Mivel mintaként „igazi” hangokat használnak, a szintézis eredményeként kapott hang minősége nagyon magas, és megközelíti a valódi hangszerek hangminőségét.

Példák hangfájl formátumokra

A hangfájlok többféle formátumban kaphatók. Közülük a legnépszerűbbek a MIDI, WAV, MP3.

MIDI formátum(Musical Instrument Digital Interface) eredetileg hangszerek vezérlésére készült. Jelenleg az elektronikus hangszerek területén használatos, ill számítógépes modulok szintézis.

WAV audio fájl formátum(hullámforma) egy tetszőleges hangot képvisel a formában digitális ábrázolás az eredeti hanghullám vagy hanghullám. Minden szabványos Windows hang .wav kiterjesztéssel rendelkezik.

MP3 formátum(MPEG-1 Audio Layer 3) a hanginformációk tárolására szolgáló digitális formátumok egyike. Jobb minőségű kódolást biztosít.

Hanginformációk kódolásával kapcsolatos problémák megoldása.

  1. Elméleti rész

A feladatok megoldása során a tanulók a következő fogalmakra támaszkodnak:

Időbeli diszkretizálás- olyan folyamat, amelyben a folyamatos audiojel kódolása során a hanghullámot külön kis időszakaszokra osztják, és minden ilyen szakaszhoz egy bizonyos amplitúdóértéket állítanak be. Minél nagyobb a jel amplitúdója, annál hangosabb a hang.

hang mélysége (kódolási mélység) - az audio kódolásonkénti bitek száma.

A különböző hangerőszintek számát az N= 2 képlettel számítjuk kién , ahol I a hangmélység.

Mintavételi gyakoriság– a bemeneti jelszint méréseinek száma időegységenként (1 másodpercenként). Minél nagyobb a mintavételi frekvencia, a pontosabban az eljárást bináris kódolás. A frekvenciát hertzben (Hz) mérik.

A bináris kódolás minősége egy olyan érték, amelyet a kódolási mélység és a mintavételi sebesség határoz meg.

Regisztrálja a bitmélységet- a bitek száma az audio adapter regiszterében. Minél nagyobb a bitmélység, annál kisebb az érték minden egyes konverziójának hibája elektromos áram számra és fordítva. Ha a bitszélesség I, akkor a bemeneti jel mérésekor 2én =N különböző érték.

  1. Gyakorlati rész. A probléma elemzése és megoldása.

1. feladat . Becsülje meg egy 20 másodperces, 16 bites kódolási mélységű és 10 000 Hz-es mintavételezési frekvenciájú digitális sztereó hangfájl információmennyiségét? Az eredmény Kbyte-ban jelenik meg, századokra kerekítve.

Az ilyen problémák megoldása során nem szabad megfeledkezni a következőkről:

Mi az a mono - 1 csatorna, sztereó - 2 csatorna

2. feladat . Határozza meg annak a digitális audiofájlnak a méretét (bájtban), amelynek lejátszási ideje 10 másodperc 22,05 kHz mintavételi frekvenciával és 8 bites felbontással.

Adott:

I = 8 bit = 1 bájt

t = 10 mp

η = 22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22 050 Hz

I - a hangkártya bitmélysége,

t - audio fájl lejátszási ideje,

η - mintavételi sebesség

Megoldás:

V(Inform.) = I η t

V(Info) = 22050 *10 *1 = 220500 bájt

Válasz: V(Info) = 220500 bájt

Megtalálja: V (információs kötet) -?

Hanginformációk kódolásával kapcsolatos problémák megoldása

I. Digitális fájlméret

1. Határozza meg annak a digitális audiofájlnak a méretét (bájtban), amelynek lejátszási ideje 10 másodperc 22,05 kHz mintavételezési frekvenciával és 8 bites felbontással. A fájl nincs tömörítve. (, 156. oldal, 1. példa)

Megoldás:

Képlet a méret kiszámításához(bájtokban)digitális hangfájl:A=D*T*I/8.

A bájtokká alakításhoz a kapott értéket el kell osztani 8 bittel.

22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22 050 Hz

A=D*T*I/8=22050 x 10 x 8/8 = 220500 bájt.

^ Válasz: a fájl mérete 220500 bájt.

2. Határozza meg a tárhely méretét egy olyan digitális audiofájl számára, amelynek lejátszási ideje 2 perc 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bites felbontással. (, 157. o., 88. sz.)

Megoldás:

A=D*T*I/8. – a digitális audiofájl tárolására alkalmas memória mennyisége.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bit) / 8 (bit) = 10584000 bájt = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Válasz: ≈ 10 Mb

6. Két perc digitális hangfelvétel 5,1 MB lemezterületet foglal el. Mintavételi frekvencia - 22050 Hz. Mekkora az audioadapter bitmélysége?

Megoldás:

A bitmélység kiszámításának képlete: (memória bájtban) : (lejátszási idő másodpercben): (mintavételi frekvencia):

5, 1 MB = 5347737,6 bájt

5347737,6 bájt: 120 mp: 22050 Hz = 2,02 bájt = 16 bit
^ Válasz: 16 bites

8. Becsülje meg egy 1 perces időtartamú monó audiofájl információs mennyiségét. ha a kódolás "mélysége" és az audiojel mintavételezési gyakorisága megegyezik:
a) 16 bit és 8 kHz;
b) 16 bit és 24 kHz.

Megoldás:

A).
16 bit x 8000 = 128 000 bit = 16 000 bájt = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

b).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:
16 bit x 24 000 = 384 000 bit = 48 000 bájt = 46,875 KB/s
2) Egy 1 perces időtartamú hangfájl információs mennyisége egyenlő:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

^ Válasz: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB

9. Mekkora tárhely szükséges egy jó minőségű, 3 perces lejátszási idővel rendelkező digitális audiofájl tárolásához?

Megoldás:

A kiváló hangminőség 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bitmélységű audioadapterrel érhető el.
A memória mennyiségének kiszámításának képlete: (rögzítési idő másodpercben) x (a hangkártya bitmélysége bájtban) x (mintavételi frekvencia):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bájt = 15,1 MB
Válasz: 15,1 MB

10. A digitális hangfájl hangfelvételt tartalmaz Gyenge minőségű(sötét és tompa hang). Mennyi ideig szól egy fájl, ha a hangereje 650 KB?
Megoldás:

A komor és tompa hangzásra a következő paraméterek jellemzőek: mintavételezési frekvencia - 11,025 kHz, audio adapter bitmélysége - 8 bit (lásd az 1. táblázatot). Ekkor T=A/D/I. Fordítsuk le a kötetet bájtokra: 650 KB = 665600 bájt

T=665600 bájt/11025 Hz/1 bájt ≈60,4 s

^ Válasz: a hang időtartama 60,5 s

11. Becsülje meg egy 1 perces hangtartamú, jó minőségű sztereó audiofájl információmennyiségét, ha a kódolási "mélység" 16 bit, a mintavételezési frekvencia pedig 48 kHz. (, 74. o., 2.54. példa)

Megoldás:

Egy 1 másodperces hangfájl információs hangereje egyenlő:
16 bit x 48 000 x 2 = 1 536 000 bit = 187,5 KB (sztereó óta 2-vel szorozva).

Egy 1 perces időtartamú hangfájl információs mennyisége egyenlő:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Válasz: 11 MB

12. Számítsa ki egy monó audiofájl lejátszási idejét, ha 16 bites kódolással és 32 kHz-es mintavételezési frekvenciával a hangereje egyenlő:
a) 700 KB;
b) 6300 KB

Megoldás:

A).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

b).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:
16 bit x 32 000 = 512 000 bit = 64 000 bájt = 62,5 KB/s
2) Egy 700 KB-os monó hangfájl lejátszási ideje:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 perc

Válasz: a) 10 másodperc; b) 1,5 perc.

13. Számítsa ki, hogy egy sztereó felvétel egyetlen másodperce hány bájtnyi információt foglal el egy CD-n (44032 Hz frekvencia, 16 bit értékenként). Mennyi ideig tart egy perc? Mekkora a lemez maximális kapacitása (80 perces maximális hosszt feltételezve)?

Megoldás:

Képlet a memória mennyiségének kiszámításáhozA=D*T*I:
(rögzítési idő másodpercben) * (hangkártya bitmélysége bájtban) * (mintavételi frekvencia). 16 bit - 2 bájt.
1) 1 s x 2 x 44032 Hz = 88064 bájt (1 másodperc sztereó CD)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283 840 bájt (1 perces sztereó CD)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bájt = 412800 KB = 403,125 MB (80 perc)

Válasz: 88064 bájt (1 másodperc), 5283840 bájt (1 perc), 403,125 MB (80 perc)

^ II. A hangminőség meghatározása.

A hangminőség meghatározásához meg kell találni a mintavételi frekvenciát, és használni kell az 1. számú táblázatot

256 (2 8 ) jelintenzitási szintek - rádióadás hangminősége a 65536 használatával (2 16 ) jelintenzitási szintek - audio CD hangminőség. A legjobb minőségű frekvencia a CD-re felvett zenének felel meg. Az analóg jel nagyságát ebben az esetben másodpercenként 44 100-szor mérjük.

13. Ha tudja, hogy egy 10 másodperces hangtartamú monó hangfájl hangereje, határozza meg a hangminőséget (sugárzott minőség, közepes minőség, audio CD minőség). egyenlő:
a) 940 KB;
b) 157 KB.

Megoldás:
A).
1) 940 KB = 962560 bájt = 7700480 bit
2) 7700480 bps: 10 mp = 770048 bps
3) 770048 bps: 16 bit = 48128 Hz - mintavételi frekvencia - közel a legmagasabb 44,1 kHz-hez
^ Válasz: audio CD minőség
b).
1) 157 KB = 160768 bájt = 1286144 bit
2) 1286144 bit: 10 mp = 128614,4 bps
3) 128614,4 bps: 16 bit = 8038,4 Hz
Válasz: adás minősége
Válasz: a) CD minőség; b) az adás minősége.

A feladatok megoldása során a tanulók a következő fogalmakra támaszkodnak:

Időbeli diszkretizálás - olyan folyamat, amelyben egy folyamatos audiojel kódolása során egy hanghullámot külön kis időszakaszokra bontanak, és minden ilyen szakaszhoz beállítanak egy bizonyos amplitúdóértéket. Minél nagyobb a jel amplitúdója, annál hangosabb a hang.

Hangmélység (kódolási mélység) -hangkódolásonkénti bitek száma.

Hangerőszintek (jelszintek)- a hang eltérő hangerővel rendelkezhet. A különböző hangerőszintek számát a képlet számítja ki N= 2 én Aholén- hang mélysége.

Mintavételi gyakoriság - a bemeneti jelszint méréseinek száma időegységenként (1 másodpercenként). Minél nagyobb a mintavételi sebesség, annál pontosabb a bináris kódolási eljárás. A frekvenciát hertzben (Hz) mérik. 1 mérés 1 másodperc alatt -1 Hz.

1000 mérés 1 másodperc alatt 1 kHz. Jelölje betűvel a mintavételi gyakoriságotD. A kódoláshoz válasszon egyet a három frekvencia közül:44,1 kHz, 22,05 kHz, 11,025 kHz.

Úgy gondolják, hogy az a frekvenciatartomány, amelyből az ember hall 20 Hz és 20 kHz között.

Bináris kódolás minősége -olyan érték, amelyet a kódolási mélység és a mintavételi gyakoriság határoz meg.

Audio adapter (hangkártya) - olyan eszköz, amely a hangfrekvencia elektromos rezgéseit numerikus bináris kóddá alakítja hang bemenetekor és fordítva (numerikus kódtól elektromos rezgésig) hang lejátszásakor.


Audioadapter specifikációi:mintavételi sebesség és regiszter bitmélysége.).

Kapacitás nyilvántartása - a bitek száma az audioadapter regiszterében. Minél nagyobb a bitmélység, annál kisebb a hiba az elektromos áram nagyságának számmá történő minden egyes egyedi átalakításakor, és fordítva. Ha a bitmélység az én, majd a bemeneti jel mérésekor 2én = N különböző értékeket.

Digitális monó hangfájl mérete (A) a következő képlettel mérjük:

A= D* T* én/8 , AholD – mintavételi frekvencia (Hz),T– hang vagy hangfelvétel ideje,éna regiszter bitmélysége (felbontás). Ez a képlet a méretet bájtokban méri.

Digitális sztereó hangfájl mérete (A) a következő képlettel mérjük:

A=2* D* T* én/8 , a jel két hangszóróra kerül rögzítésre, mivel a bal és a jobb hangcsatorna külön kódolású.

A tanulók számára hasznos, ha kiadják az 1. táblázatot, amely megmutatja, hogy a kódolt egyperces hanginformáció hány MB-ot vesz igénybe különböző mintavételi frekvenciák mellett:

1. Digitális fájlméret

"3" szint

1. Határozza meg annak a digitális audiofájlnak a méretét (bájtban), amelynek lejátszási ideje 10 másodperc 22,05 kHz mintavételezési frekvenciával és 8 bites felbontással. A fájl nincs tömörítve. (, 156. oldal, 1. példa)

Megoldás:

Képlet a méret kiszámításához (bájtokban) digitális hangfájl: A= D* T* én/8.

A bájtokká alakításhoz a kapott értéket el kell osztani 8 bittel.

22,05 kHz = 22,05 * 1000 Hz = 22 050 Hz

A= D* T* én/8 = 22050 x 10 x 8/8 = 220500 bájt.

Válasz: a fájl mérete 220500 bájt.

2. Határozza meg a tárhely méretét egy olyan digitális audiofájl számára, amelynek lejátszási ideje 2 perc 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bites felbontással. (, 157. o., 88. sz.)

Megoldás:

A= D* T* én/8. – a digitális audiofájl tárolására alkalmas memória mennyisége.

44100 (Hz) x 120 (s) x 16 (bit) / 8 (bit) = 10584000 bájt = 10335,9375 KB = 10,094 MB.

Válasz: ≈ 10 Mb

"4" szint

3. A felhasználónak 2,6 MB memóriája van. 1 perces időtartamú digitális hangfájlt kell rögzítenie. Mekkora legyen a mintavételezési sebesség és a bitmélység? (, 157. o., 89. sz.)

Megoldás:

A mintavételi sebesség és a bitmélység kiszámításának képlete: D * I \u003d A / T

(memória bájtban) : (lejátszási idő másodpercben):

2,6 MB = 2726297,6 bájt

D* I = A / T = 2726297,6 bájt: 60 \u003d 45438,3 bájt

D=45438,3 bájt: I

Az adapter bitmélysége 8 vagy 16 bit lehet. (1 bájt vagy 2 bájt). Ezért a mintavételi frekvencia lehet 45438,3 Hz = 45,4 kHz ≈ 44,1 kHz– szabványos jellemző mintavételi frekvencia, vagy 22719,15 Hz = 22,7 kHz ≈ 22,05 kHz- szabványos jellemző mintavételi frekvencia

Válasz:

Mintavételi gyakoriság

Audio adapter bitmélység

1 lehetőség

22,05 kHz

16 bites

2. lehetőség

44,1 kHz

8 bites

4. A szabad lemezterület nagysága 5,25 MB, a hangkártya bitmélysége 16. Mennyi ideig szól a 22,05 kHz-es mintavételezési frekvenciával rögzített digitális hangfájl? (, 157. o., 90. sz.)


Megoldás:

Képlet a hang időtartamának kiszámításához: T=A/D/I

(memória mérete bájtban) : (mintavételezési frekvencia Hz-ben) : (hangkártya bitmélysége bájtban):

5,25 MB = 5505024 bájt

5505024 bájt: 22050 Hz: 2 bájt = 124,8 mp
Válasz: 124,8 másodperc

5. Egy perc digitális hangfájl rögzítése 1,3 MB-ot foglal el a lemezen, a hangkártya bitmélysége 8. Mekkora a hang mintavételezési sebessége? (, 157. o., 91. sz.)

Megoldás:

Mintavételi sebesség képlete: D =A/T/I

(memória mérete bájtban) : (rögzítési idő másodpercben) : (hangkártya bitmélysége bájtban)

1,3 MB = 1363148,8 bájt

1363148,8 bájt: 60:1 = 22719,1 Hz

Válasz: 22,05 kHz

6. Két perc digitális hangfelvétel 5,1 MB lemezterületet foglal el. Mintavételi frekvencia - 22050 Hz. Mekkora az audioadapter bitessége? (, 157. o., 94. sz.)

Megoldás:

A bitmélység kiszámításának képlete: (memória bájtban) : (lejátszási idő másodpercben): (mintavételi frekvencia):

5, 1 MB = 5347737,6 bájt

5347737,6 bájt: 120 mp: 22050 Hz = 2,02 bájt = 16 bit

Válasz: 16 bites

7. A szabad memória mennyisége a lemezen 0,01 GB, a hangkártya bitmélysége 16. Mennyi ideig szól a 44100 Hz-es mintavételezési frekvenciával rögzített digitális hangfájl? (, 157. o., 95. sz.)

Megoldás:

Képlet a hangzás időtartamának számítására T=A/D/I

(memória mérete bájtban) : (mintavételezési frekvencia Hz-ben) : (hangkártya bitmélysége bájtban)

0,01 GB = 10737418,24 bájt

10737418,24 bájt: 44100: 2 = 121,74 mp = 2,03 perc
Válasz: 20,3 perc

8. Becsülje meg egy 1 perces időtartamú monó audiofájl információs mennyiségét. ha a kódolás "mélysége" és az audiojel mintavételezési gyakorisága megegyezik:
a) 16 bit és 8 kHz;
b) 16 bit és 24 kHz.

(, 76. o., 2.82. sz.)

Megoldás:

A).
16 bit x 8000 = 128 000 bit = 16 000 bájt = 15,625 KB/s
15,625 KB/s x 60 s = 937,5 KB

b).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:
16 bit x 24 000 = 384 000 bit = 48 000 bájt = 46,875 KB/s
2) Egy 1 perces időtartamú hangfájl információs mennyisége egyenlő:
46,875 KB/s x 60 s = 2812,5 KB = 2,8 MB

Válasz: a) 937,5 KB; b) 2,8 MB

"5" szint

Az 1. táblázatot használjuk

9. Mekkora tárhely szükséges egy jó minőségű, 3 perces lejátszási idővel rendelkező digitális audiofájl tárolásához? (, 157. o., 92. sz.)

Megoldás:

A kiváló hangminőség 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciával és 16 bitmélységű audioadapterrel érhető el.
A memória mennyiségének kiszámításának képlete: (rögzítési idő másodpercben) x (a hangkártya bitmélysége bájtban) x (mintavételi frekvencia):
180 s x 2 x 44100 Hz = 15876000 bájt = 15,1 MB
Válasz: 15,1 MB

10. A digitális hangfájl gyenge minőségű hangfelvételt tartalmaz (a hang sötét és tompa). Mennyi ideig szól egy fájl, ha a hangereje 650 KB? (, 157. o., 93. sz.)

Megoldás:

A komor és tompa hangzásra a következő paraméterek jellemzőek: mintavételezési frekvencia - 11,025 kHz, audio adapter bitmélysége - 8 bit (lásd az 1. táblázatot). Ekkor T=A/D/I. Fordítsuk le a kötetet bájtokra: 650 KB = 665600 bájt

T=665600 bájt/11025 Hz/1 bájt ≈60,4 s

Válasz: a hang időtartama 60,5 s

Megoldás:

Egy 1 másodperces hangfájl információs hangereje egyenlő:
16 bit x 48 000 x 2 = 1 536 000 bit = 187,5 KB (sztereó óta 2-vel szorozva).

Egy 1 perces időtartamú hangfájl információs mennyisége egyenlő:
187,5 KB/s x 60 s ≈ 11 MB

Válasz: 11 MB

Válasz: a) 940 KB; b) 2,8 MB.

12. Számítsa ki egy monó audiofájl lejátszási idejét, ha 16 bites kódolással és 32 kHz-es mintavételezési frekvenciával a hangereje egyenlő:
a) 700 KB;
b) 6300 KB

(, 76. o., 2.84. sz.)

Megoldás:

A).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:

700 KB: 62,5 KB/s = 11,2 s

b).
1) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:
16 bit x 32 000 = 512 000 bit = 64 000 bájt = 62,5 KB/s
2) Egy 700 KB-os monó hangfájl lejátszási ideje:
6300 KB: 62,5 KB/s = 100,8 s = 1,68 perc

Válasz: a) 10 másodperc; b) 1,5 perc.

13. Számítsa ki, hogy egy sztereó felvétel egyetlen másodperce hány bájtnyi információt foglal el egy CD-n (44032 Hz frekvencia, 16 bit értékenként). Mennyi ideig tart egy perc? Mekkora a lemez maximális kapacitása (80 perces maximális időtartamot feltételezve)? (34. o., 34. gyakorlat)

Megoldás:

Képlet a memória mennyiségének kiszámításához A= D* T* én:
(rögzítési idő másodpercben) * (hangkártya bitmélysége bájtban) * (mintavételi frekvencia). 16 bit - 2 bájt.
1) 1 s x 2 x 44032 Hz = 88064 bájt (1 másodperc sztereó CD)
2) 60 s x 2 x 44032 Hz = 5283 840 bájt (1 perces sztereó CD)
3) 4800 s x 2 x 44032 Hz = 422707200 bájt = 412800 KB = 403,125 MB (80 perc)

Válasz: 88064 bájt (1 másodperc), 5283840 bájt (1 perc), 403,125 MB (80 perc)

2. A hangminőség meghatározása.

A hangminőség meghatározásához meg kell találni a mintavételi frekvenciát, és használni kell az 1. számú táblázatot

256 (28) jelintenzitási szint - rádióadás hangminősége, 65536 (216) jelintenzitási szint használatával - audio CD hangminőség. A legjobb minőségű frekvencia a CD-re felvett zenének felel meg. Az analóg jel nagyságát ebben az esetben másodpercenként 44 100-szor mérjük.

"5" szint

13. Ha tudja, hogy egy 10 másodperces hangtartamú monó hangfájl hangereje, határozza meg a hangminőséget (sugárzott minőség, közepes minőség, audio CD minőség). egyenlő:
a) 940 KB;
b) 157 KB.

(, 76. o., 2.83. sz.)

Megoldás:

A).
1) 940 KB = 962560 bájt = 7700480 bit
2) 7700480 bps: 10 mp = 770048 bps
3) 770048 bps: 16 bit = 48128 Hz - mintavételi frekvencia - közel a legmagasabb 44,1 kHz-hez
Válasz: audio CD minőség

b).
1) 157 KB = 160768 bájt = 1286144 bit
2) 1286144 bit: 10 mp = 128614,4 bps
3) 128614,4 bps: 16 bit = 8038,4 Hz
Válasz: adás minősége

Válasz: a) CD minőség; b) az adás minősége.

14. Határozza meg a hangfájl hosszát, amely elfér egy 3,5”-os hajlékonylemezen. Kérjük, vegye figyelembe, hogy egy ilyen hajlékonylemezen 2847, 512 bájtos szektor van lefoglalva adattárolásra.
a) alacsony hangminőséggel: monó, 8 bit, 8 kHz;
b) mikor jó minőség hang: sztereó, 16 bit, 48 kHz.

(, 77. o., 2.85. sz.)

Megoldás:

A).

8 bit x 8 000 = 64 000 bit = 8 000 bájt = 7,8 KB/s
3) Egy 1423,5 KB-os monó hangfájl lejátszási ideje:
1423,5 KB: 7,8 KB/s = 182,5 s ≈ 3 perc

b).
1) A hajlékonylemez információs térfogata egyenlő:
2847 szektor x 512 bájt = 1457664 bájt = 1423,5 KB
2) Egy 1 másodperces hangfájl információs mennyisége egyenlő:
16 bit x 48 000 x 2 = 1 536 000 bit = 192 000 bájt = 187,5 KB/s
3) Egy 1423,5 KB-os sztereó audiofájl lejátszási ideje:
1423,5 KB: 187,5 KB/s = 7,6 s

Válasz: a) 3 perc; b) 7,6 másodperc.

3. Bináris hangkódolás.

A feladatok megoldása során a következő elméleti anyagokat használja:

A hang kódolásához az ábrán látható analóg jel a

a sík függőleges és vízszintes vonalakra oszlik. A függőleges felosztás az analóg jel mintavételezése (jelmérési frekvencia), a vízszintes felosztás az kvantálás szint szerint. azaz mint finomabb háló– a jobb analóg hangot számok segítségével közelítjük. A nyolcbites kvantálást a hétköznapi beszéd digitalizálására használják ( telefonbeszélgetés) és rövidhullámú rádióadásokat. Tizenhat bites - zene és VHF (ultra-rövidhullámú) rádióadások digitalizálására.

"3" szint

15. Az analóg audiojel mintavételezése először 256 jelerősségi szinttel (műsorszórási hangminőség), majd 65536 jelerősségi szinttel (audio CD hangminősége) történt. Hányszor tér el a digitalizált hang információmennyisége? (, 77. o., 2.86. sz.)

Megoldás:

Egy 256 jelerősségi szintet használó analóg jel kódhossza 8 bit, 65536 jelerősségi szint esetén 16 bit. Mivel egy jel kódjának hossza megkétszereződött, a digitalizált hang információmennyisége 2-szer tér el.

Válasz: 2 alkalommal.

szint "4"

16. A Nyquist-Kotelnikov tétel szerint ahhoz, hogy egy analóg jelet a diszkrét reprezentációjából (mintáiból) pontosan rekonstruálhassunk, a mintavételezési frekvenciának legalább kétszerese ennek a jelnek a maximális hangfrekvenciájának.

· Mekkora legyen az emberi hang mintavételezési frekvenciája?

· Melyik legyen magasabb: a beszéd mintavételezési gyakorisága vagy egy szimfonikus zenekar hangjának mintavételezési gyakorisága?

Cél: megismertetni a hallgatókkal a hanggal való munkavégzéshez szükséges hardver és szoftver jellemzőit. Tevékenységek: ismeretszerzés fizika tanfolyamról (vagy segédkönyvekkel való munka). (, o. ??, 2. feladat)

Megoldás:

Úgy gondolják, hogy az ember által hallható frekvenciatartomány 20 Hz és 20 kHz között van. Így a Nyquist-Kotelnikov-tétel szerint annak érdekében, hogy egy analóg jelet pontosan vissza lehessen állítani a diszkrét reprezentációjából (a mintáiból), a mintavételezési frekvenciának legalább kétszerese kell legyen a jel maximális hangfrekvenciájának. Maximális hangfrekvencia amelyet az ember hall -20 kHz, ami azt jelenti, hogy a készülék ra és szoftver legalább 40 kHz-es, pontosabban 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciát kell biztosítania. A szimfonikus zenekar hangjának számítógépes feldolgozása többet foglal magában magas frekvencia mintavételezés, mint beszédfeldolgozás, mivel a frekvenciatartomány egy szimfonikus zenekar esetében sokkal nagyobb.

Válasz: nem kevesebb, mint 40 kHz, a szimfonikus zenekar mintavételi frekvenciája magasabb.

"5" szint

17. Az ábra a felvevő által rögzített 1 másodperces beszéd hangját mutatja. Kódolja bináris digitális kódba, amelynek frekvenciája 10 Hz és kódhossza 3 bit. (, o. ??, 1. feladat)

Megoldás:

A 10 Hz-es kódolás azt jelenti, hogy másodpercenként 10-szer kell megmérnünk a hangmagasságot. Válasszunk egyenlő távolságra lévő időpillanatokat:

A 3 bites kód 23 = 8 kvantálási szintet jelent. Azaz a hangmagasság számkódjaként minden kiválasztott időpillanatban a következő kombinációk egyikét állíthatjuk be: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Ebből csak 8 van, ezért , a hangmagasság 8 "szinttel" mérhető:

A hangmagasság értékeket a legközelebbi alacsonyabb szintre „kerekítjük”:

Használata Ily módon kódolással a következő eredményt kapjuk (szóközök vannak beállítva az olvashatóság érdekében): 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

Jegyzet. Célszerű felhívni a tanulók figyelmét arra, hogy a kód mennyire pontatlanul közvetíti az amplitúdó változását. Vagyis a 10 Hz-es mintavételezési frekvencia és a 23-as (3 bites) kvantálási szint túl alacsony. Általában hang (hang) esetében 8 kHz-es mintavételezési frekvenciát, azaz 8000-szer másodpercenként, és 28-as kvantálási szintet (8 bites kód) választanak ki.

Válasz: 100 100 000 011 111 010 011 100 010 110.

18. Magyarázza meg, miért a kvantálás szintje a mintavételezési frekvenciával együtt a hang számítógépes reprezentációjának egyik fő jellemzője! Célok: megszilárdítani a tanulók megértését az „adatábrázolás pontossága”, „mérési hiba”, „ábrázolási hiba” fogalmakkal kapcsolatban; tekintse át a bináris kódolást és a kód hosszát a tanulókkal. A tevékenység típusa: munka fogalmak meghatározásával. (, o. ??, 3. feladat)

Megoldás:

A geometriában, a fizikában és a technológiában létezik a „mérési pontosság” fogalma, amely szorosan kapcsolódik a „mérési hiba” fogalmához. De ott van a koncepció is "ábrázolási pontosság". Például egy személy magasságáról azt mondhatjuk, hogy: a) kb. 2 m, b) valamivel több, mint 1,7 m, c) egyenlő 1 m 72 cm-rel, d) egyenlő 1 m 71 cm 8 mm-rel. Azaz 1, 2, 3 vagy 4 számjegy használható a mért növekedés jelzésére.
Ugyanez igaz a bináris kódolásra is. Ha csak 2 bitet használnak a hangmagasság rögzítésére egy adott időpontban, akkor még ha a mérések pontosak is voltak, csak 4 szintet lehet továbbítani: alacsony (00), átlag alatti (01), átlag feletti (10), magas (11). Ha 1 bájtot használ, 256 szintet vihet át. Hogyan magasabb kvantálási szint, vagy, ami megegyezik a Minél több bit van allokálva a mért érték rögzítésére, annál pontosabb az érték továbbítása.

Jegyzet. Figyelembe kell venni, hogy a mérőeszköznek is támogatnia kell a kiválasztott kvantálási szintet (nincs értelme a vonalzóval mért hosszt deciméteres osztásokkal milliméteres pontossággal ábrázolni).

Válasz: minél magasabb a kvantálási szint, annál pontosabb a hangátvitel.

Irodalom:

[ 1] Számítástechnika. Feladatfüzet-műhely 2 kötetben / Szerk. , : 1. kötet. - Alapismeretek Laboratóriuma, 1999 - 304 p.: ill.

Műhely az informatikáról és információtechnológiáról. Oktatóanyag oktatási intézmények számára / , . – M.: Binom. Tudáslaboratórium, 2002. 400 p.: ill.

Informatika az iskolában: A Számítástechnika és Oktatás című folyóirat melléklete. 4. szám - 2003. - M.: Oktatás és Informatika, 2003. - 96 p.: ill.

Satöbbi. információs kultúra: kódolási információ. Információs modellek. 9-10. évfolyam: Tankönyv az általános műveltséghez oktatási intézmények. - 2. kiadás - M.: Túzok, 1996. - 208 p.: ill.

Szenokoszov az informatikáról iskolásoknak. - Jekatyerinburg: "U-Factoria", 2003. - 346. 54-56.

Hang időmintavételezése.

A hang egy folyamatosan változó amplitúdójú és frekvenciájú hanghullám. Minél nagyobb a jel amplitúdója, annál hangosabb az ember számára, minél nagyobb a jel frekvenciája, annál magasabb a hangszín. Ahhoz, hogy a számítógép hangot dolgozhasson fel, a folyamatos hangjelet elektromos impulzusok sorozatává kell alakítani (bináris 0-k és 1-ek).

A folyamatos audiojel kódolásának folyamatában annak időbeli mintavételezése történik. A folyamatos hanghullám külön kis időszakaszokra van felosztva, és minden ilyen szakaszhoz be van állítva egy bizonyos amplitúdóérték.
A diszkretizálás a folytonos jelek átalakítása diszkrét értékek halmazává, amelyek mindegyikéhez egy meghatározott bináris kód van hozzárendelve.


Így a jel amplitúdójának az A(t) időtől való folyamatos függését a hangossági szintek diszkrét sorozata váltja fel. A grafikonon ez úgy néz ki, mintha egy sima görbét „lépések” sorozatára cserélnénk.

Minden „lépéshez” hozzá van rendelve a hangerőszint értéke, annak kódja (1, 2, 3 és így tovább). A hangerőszintek a lehetséges állapotok halmazaként tekinthetők meg, ill nagy mennyiség A hangerőszintek kiemelve lesznek a kódolási folyamat során, minél több információ hordozza az egyes szintek értékét, és annál jobb lesz a hang. Modern hangkártyák 16 bites hangkódolási mélységet biztosítanak. A különböző jelszintek (egy adott kódolás állapota) száma a következő képlettel számítható ki:
N = 2 16 = 65356 [hangszintek],
ahol I a kódolási mélység.

Így a modern hangkártyák 65536 jelszintet képesek kódolni. Az audiojel amplitúdójának minden értékéhez 16 bites kód tartozik.

A folyamatos audiojel bináris kódolásával azt diszkrét jelszintek sorozata váltja fel. A kódolás minősége az időegységenkénti jelszint mérések számától, vagyis a mintavételezési gyakoriságtól függ. Minél több mérést végeznek 1 másodperc alatt (minél nagyobb a mintavételezési sebesség), annál pontosabb a bináris kódolási eljárás.

A bináris hangkódolás minőségét a kódolási mélység és a mintavételi gyakoriság határozza meg.

A másodpercenkénti mérések száma 8000-től 96000-ig terjedhet, azaz az analóg audiojel mintavételezési frekvenciája 8 és 96 [kHz] között lehet. 8[kHz]-es frekvencián a mintavételezett audiojel minősége a rádióadás minőségének, 96[kHz]-es frekvencián pedig egy audio-CD hangminőségének felel meg. Azt is meg kell jegyezni, hogy monó és sztereó mód is lehetséges.

Egy hangfájl információs hangereje

Egy hangfájl V sf hangerejének meghatározásához meg kell szorozni a mérések számát K meas a kódolási mélységgel (bitek száma szintenként) V 1meas:

V zf \u003d K mérték * V 1 mérték

Ahol a mérések száma K meas attól függ:

1. feladat


Házi feladat

1 Határozza meg a sztereó hangfájl hangerejét, mintavételi frekvenciával (dd)[kHz], hangidővel (dd)[s] (mm) bites kódoláshoz.

2 Határozza meg egy (yy) [KB] méretű monó audiofájl lejátszási idejét [s]-ben, kódolási mélységben (mm) [BIT] és mintavételezési frekvenciájában (dd) [kHz].
Ahol (dd) az Ön születési dátuma, (hh) a születési hónapja, (yy) a születési éve.