Jeśli chodzi o muzykę cyfrową i efekty dźwiękowe, częstotliwość próbkowania odgrywa ważną rolę. Dotyczy to zarówno płyt CD, jak i formatów plików takich jak MP3 i odtwarzaczy sieciowych. Określone wartości poziomu lub częstotliwości próbkowania znacznie się różnią. Ważną wartością referencyjną jest 44,1 kHz. Poniżej wyjaśniamy, dlaczego tak jest.
Na czym polega częstotliwość próbkowania?
Aby na przykład głos lub riff gitarowy mógł zostać zapisany na płycie CD lub dysku twardym, analogowy sygnał audio musi zostać zdigitalizowany. W tym celu z sygnału analogowego pobierane są próbki w stałych odstępach czasu (sygnał dyskretny). Są one wykorzystywane do konwersji nagranych informacji na kod. Jeśli sygnał jest dostępny w formie cyfrowej – na przykład w formacie MP3 – można go również przekonwertować z powrotem na sygnał analogowy, aby wprawić membranę głośnika w drgania. Częstotliwość tych próbek jest określana przez częstotliwość próbkowania. Ogólnie rzecz biorąc, im więcej próbek, tym bardziej szczegółowy dźwięk można odtworzyć cyfrowo.
Płyta CD obsługuje sygnały, które zostały zdigitalizowane z częstotliwością próbkowania 44 100 Hz lub 44,1 kHz. Odpowiada to 44 100 próbkom na sekundę. Oczywiście częstotliwość ta nie została ustawiona przypadkowo. Taka rozdzielczość uwzględnia maksymalną częstotliwość dźwięku słyszalną dla człowieka wynoszącą około 20 kHz oraz ważną zasadę przetwarzania danych: twierdzenie Nyquista-Shannona. Twierdzenie mówi, że częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwa razy wyższa niż najwyższa częstotliwość sygnału, który ma zostać zdigitalizowany. Jeśli więc najwyższe tony, które możemy usłyszeć, wibrują z częstotliwością 20 kHz, częstotliwość próbkowania musi wynosić co najmniej 40 kHz zgodnie z tym twierdzeniem, aby naprawdę poprawnie zdigitalizować i zdekodować wszystkie tony. W przeciwnym razie zdigitalizowany sygnał może zostać nieprawidłowo przekonwertowany na sygnał analogowy.
Ten film wyjaśnia twierdzenie bardziej szczegółowo:
Odtwarzając to video, wyrażasz zgodę na politykę prywatności YouTube.
Dowiedz się więcej
44,1 kHz to jeszcze nie koniec
Rozwój częstotliwości próbkowania nie zatrzymał się na poziomie 44,1 kHz. Nowoczesne nośniki danych i metody transmisji umożliwiają obecnie przetwarzanie znacznie większych ilości danych. Bezstratne formaty takie jak FLAC czy wielokanałowe standardy wysokiej rozdzielczości wielokrotnie przekraczają tę wartość.
Dolby True HD, na przykład, obsługuje również bardzo wysokie częstotliwości próbkowania. Oznacza to, że można przetwarzać znacznie dokładniejsze sygnały cyfrowe. Ponadto, matryce audio mogą wykorzystywać lepsze filtry rekonstrukcyjne i antyaliasingowe.
Częstotliwość próbkowania nie jest jedynym punktem odniesienia: głębia bitowa
Podczas gdy częstotliwość próbkowania opisuje częstotliwość próbek, głębia bitowa (koloru) wskazuje, ile bitów jest używanych na próbkę. Innymi słowy, głębia bitowa wskazuje, jak precyzyjna lub jak wysoka jest rozdzielczość każdej pojedynczej próbki. Określa to amplitudę lub zakres dynamiki sygnału analogowego w momencie próbkowania, tj. zakres między najsłabszym i najsilniejszym poziomem ciśnienia akustycznego. Na płycie CD każda próbka ma głębokość 16 bitów, choć wartość ta jest również przekraczana w nowoczesnych standardach cyfrowych. Dolby True HD osiąga 24 bity.
Często zadawane pytania dotyczące częstotliwości próbkowania
Wartość ta sięga czasów świetności telewizji przed wprowadzeniem płyty CD. Nawet wtedy używano zdigitalizowanych stereofonicznych sygnałów audio. Były one nagrywane w studiu przy użyciu specjalnych rejestratorów wideo i 16-bitowych konwerterów. Aby spełnić różne standardy wideo, częstotliwość próbkowania musiała wynosić od 40 do 45 kHz. Korzystając ze złożonego wzoru, Sony zdecydowało się na częstotliwość próbkowania 44,1 kHz – została ona później ustalona jako standard CD.
W próbkowaniu cyfrowym stosowane są tak zwane filtry rekonstrukcyjne i antyaliasingowe. Nie działają one tak idealnie, jak przewiduje to twierdzenie Nyquista-Shannona. W związku z tym mogą wystąpić zniekształcenia, szczególnie w górnych zakresach częstotliwości. Wyższe częstotliwości próbkowania zmniejszają to ryzyko, dlatego mogą przynieść zauważalne korzyści.
Pliki audio konwertowane z płyt CD mają zazwyczaj standardową częstotliwość próbkowania 44,1 kHz. Prawdziwie cyfrowe formaty mogą osiągnąć znacznie więcej, ale w tym przypadku równowaga między wysiłkiem technicznym a korzyściami dźwiękowymi decyduje o tym, która częstotliwość próbkowania jest najbardziej odpowiednia. Częstotliwość 48 kHz staje się obecnie coraz bardziej powszechna w przypadku danych audio, zwłaszcza w sektorze wideo. Liczba ta z kolei pochodzi z cyfrowej taśmy audio (DAT), która jest nadal używana w studiach nagraniowych.
Teufel Streamer wydobywa to, co jest cyfrowo możliwe
▶ Mało kto sprawia, że bity brzmią tak dobrze jak Teufel streamer. Odtwarza on formaty wysokiej rozdzielczości do 96 kHz i 24 bitów. Zintegrowany wysokiej klasy konwerter Cirrus Logic konwertuje dane cyfrowe na analogowe. Do bezprzewodowej transmisji danych streamer posiada wydajny moduł wi-fi z technologią Raumfeld. Ułatwia to również sterowanie inteligentnymi głośnikami domowymi. A co najlepsze, po podłączeniu streamera do systemu stereo, jest on zintegrowany z siecią lokalną. Streaming może być tak prosty!
Więcej produktów ze sklepu Teufel
Podsumowanie: Częstotliwość próbkowania jako waluta dla cyfrowych formatów dźwięku
- Częstotliwość próbkowania wskazuje, jak często próbki sygnału są pobierane z sygnału analogowego.
- Twierdzenie Nyquista-Shannona mówi, że częstotliwość próbkowania musi być co najmniej dwa razy wyższa niż najwyższa częstotliwość analogowa, aby digitalizacja była zgodna z oryginałem.
- Płyty CD obsługują częstotliwość próbkowania do 44,1 kHz. Z drugiej strony, nowoczesne formaty mogą odtwarzać 96 kHz i więcej.
- Głębia bitowa wskazuje, w jaki sposób poszczególne próbki są rozdzielane i wpływa na cyfrowy zakres dynamiki.
- Podczas gdy próbki na płycie CD mają rozdzielczość 16 bitów, Dolby True HD, na przykład, osiąga rozdzielczość 24 bitów.
