Частота дискретизации

Частота дискретизации (или частота семплирования, англ. sample rate) — частота взятия отсчетов непрерывного во времени сигнала при его дискретизации (в частности, аналого-цифровым преобразователем). Измеряется в герцах.

Термин применяется и при обратном, цифро-аналоговом преобразовании, особенно если частота дискретизации прямого и обратного преобразования выбрана разной (Данный приём, называемый также «Масштабированием времени», встречается, например, при анализе сверхнизкочастотных звуков, издаваемых морскими животными).

Чем выше частота дискретизации, тем более широкий спектр сигнала может быть представлен в дискретном сигнале. Как следует из теоремы Котельникова, для того, чтобы однозначно восстановить исходный сигнал, частота дискретизации должна более чем в два раза превышать наибольшую частоту в спектре сигнала.

Некоторые из используемых частот дискретизации звука:

8 000 Гц — телефон, достаточно для речи, кодек Nellymoser;
11 025 Гц;
12 000 Гц (на практике встречается редко);
16 000 Гц;
22 050 Гц — радио;
32 000 Гц;
44 100 Гц — используется в Audio CD; чаще разрядность квантования 16 бит.
48 000 Гц — DVD, DAT;
96 000 Гц — DVD-Audio (MLP 5.1);
192 000 Гц — DVD-Audio (MLP 2.0);
2 822 400 Гц — SACD, процесс однобитной дельта-сигма модуляции, известный как DSD — Direct Stream Digital, совместно разработан компаниями Sony и Philips;
5 644 800 Гц — DSD с удвоенной частотой дискретизации, однобитный Direct Stream Digital с частотой дискретизации вдвое больше, чем у SACD. Используется в некоторых профессиональных устройствах записи DSD.
-------------------------------------------------------------------------
На рисунке слева показано, как выглядит аналоговый звук, поступающий на вход звуковой карты, например, с микрофона, в который вы поете. Цифровой звук, тот самый, с которым мы работаем в различных звуковых редакторах, выглядит иначе. Справа на картинке показано изображение того же звука в цифровом виде.


Он не такой «гладкий», а похож на череду «ступенек». Т. е. сигнал из непрерывного аналогового преобразуется в цифровой дискретный. Чем мельче и чаще идут «ступени», тем ближе цифровой сигнал к аналоговому и звук качественнее. Так вот. Частота дискретизации связана с длиной этих «ступенек». Чем выше эта частота, тем короче «ступени» и тем более четко можно описать аналоговый сигнал в цифре. На левом рисунке частота меньше, на правом — больше. Посмотрите и найдите отличия.

Замечательный человек, Владимир Александрович Котельников, открыл теорему отсчетов, названую теоремой Котельникова, которая применительно к звуку говорит о следующем.
Чтобы качественно восстановить аналоговый звук, частота дискретизации должна превышать максимальную частоту спектра сигнала более чем в два раза. Сложно? Объясню проще.
Мы слышим частоты звука примерно от 20 Гц ( низкие частоты ) до 20000 Гц ( высокие частоты ). Соответственно максимальная частота, которая нас интересует, — 20000 Гц. Руководствуясь теоремой Котельникова, умножим 20000 на 2, получим 40000Гц. По разным причинам, о которых я писать не буду, выбрана минимально допустимая частота дискретизации цифрового звука — 44100 Гц ( 44,1 кГц ). Она заложена в основу формата CD. Для тех, кто утомился читать все эти непонятные слова, подведу простой итог: ваша звуковая карта должна поддерживать частоту дискретизации как минимум 44,1 кГц. Для профессиональных задач крайне желательно 48 кГц и выше.