Kako se fizički zvuk pretvara u nule i jedinice?

Zvuk je pretežno longitudinalni talas frekvencije od 16 Hz do 20 kHz, nastao kao rezultat oscilovanja izvora poput gitarske žice, pri čemu pokretanje čestica u okolnom zraku stvara promjene u pritisku sredine. Te promjene su kontinuirane i mogu poprimiti beskonačno mnogo vrijednosti u datom intervalu. Međutim, kako bi zvuk postao razumljiv digitalnom sistemu, njegov analogni signal mora biti pretvoren u niz nula i jedinica. Ovaj proces, poznat kao diskretizacija, predstavlja osnovu za analogno-digitalnu konverziju zvuka.

Analogno-digitalni pretvarači (A/D) su elektronički uređaji čiji je osnovni zadatak diskretizacija analognih signala. Oni se nalaze u svakom uređaju koji prikuplja informacije o kontinuiranim veličinama iz vanjske sredine. Pretvarač koristi komparator, koji uspoređuje napone i na osnovu toga daje izlaz u obliku logičke jedinice ili nule. Među različitim vrstama A/D pretvarača, sigma-delta i paralelni (flash) pretvarači su najzastupljeniji, zavisno o brzini i preciznosti potrebnoj za signal.

Prvi korak u pretvaranju fizičkog zvuka u digitalni signal započinje mikrofonima. Mikrofoni pretvaraju kontinuirani mehanički signal u kontinuirani električni signal. Kondenzatorski mikrofoni to čine putem promjena u kapacitetu kondenzatora, dok elektrodinamički koriste princip magnetne indukcije. Dobiveni električni signal zatim putuje ka A/D pretvaraču.

Unutar A/D pretvarača, proces započinje uzorkovanjem, gdje se uzimaju periodični uzorci amplitude zvučnog talasa. Prema Nyquist-Shannonovoj teoremi, frekvencija uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od maksimalne frekvencije uzorka kako bi se izbjegla izobličenja poput aliasinga. Na primjer, za ljudsko uho, minimalna frekvencija uzorkovanja iznosi 40 kHz, dok se u praksi često koristi 44,1 kHz za muzičku produkciju i 48 kHz za profesionalnu opremu.

Uzorkovanjem se diskretiziraju trenutci u vremenu, ali kvantizacijom se diskretiziraju amplitude talasa. Tokom kvantizacije, uzorkovane vrijednosti se zaokružuju na najbliže digitalne vrijednosti unutar zadanog broja kvantizacijskih nivoa. Na primjer, kod 16-bitne kvantizacije postoji 65.536 nivoa amplitude, čime se postiže dinamički raspon od 96 dB. Veći broj bitova kvantizacije omogućava precizniji zapis, ali povećava količinu potrebne memorije.

Kvantizacijom se pojavljuju greške poznate kao kvantizacijski šum, koje se u audio zapisima manifestuju kao bijeli šum. Dither tehnike se koriste kako bi se smanjile te greške i postigao prirodniji zvučni zapis. Nakon što se amplituda diskretizira, podaci se kodiraju u binarni zapis, završavajući proces konverzije.

Ovim nizom koraka, fizički zvuk prelazi iz analognog, kontinuiranog signala u digitalni niz nula i jedinica spreman za daljnju obradu i pohranu na uređajima poput računara. Tehnologije uzorkovanja, kvantizacije i kodiranja omogućavaju visokokvalitetan digitalni zapis zvuka uz minimalna izobličenja, što je ključno za moderne audio sisteme.

-plenum.ba