Sampling və Quantization
Giriş
Digital audio yaratmaq üçün analog səs işarəsini rəqəmsal formata çevirmək lazımdır. Bu proses iki əsas mərhələdən ibarətdir:
- Sampling - işarəni zamanda diskret nümunələrə bölmək
- Quantization - hər nümunəni məhdud sayda rəqəmsal dəyərə çevirmək
Analog-to-Digital Conversion (ADC)
Sampling (Nümunə Götürmə)
Sampling - analog işarənin müəyyən zaman intervallarında ölçülməsidir.
Sample Rate (Nümunə Tezliyi)
Sample Rate - saniyədə götürülən nümunə sayı, Hz və ya samples per second ilə ölçülür.
Ümumi Sample Rate-lər:
| Sample Rate | İstifadə sahəsi |
|---|---|
| 8 kHz | Telefon rabitəsi |
| 16 kHz | VoIP, speech recognition |
| 22.05 kHz | Low-quality streaming |
| 44.1 kHz | CD audio, standart keyfiyyət |
| 48 kHz | DVD, video production |
| 96 kHz | Professional audio recording |
| 192 kHz | High-end audio mastering |
Nyquist-Shannon Teoremi
Nyquist Teoremi: Analog işarəni düzgün rəqəmsallaşdırmaq üçün sample rate işarənin maksimum tezliyindən ən azı 2 dəfə yüksək olmalıdır.
Sample Rate ≥ 2 × f_max
Nyquist Frequency: Sample rate-in yarısı
f_nyquist = Sample Rate / 2
Nümunə:
- CD audio: 44.1 kHz sample rate
- Nyquist frequency: 22.05 kHz
- İnsan eşitmə: 20 Hz - 20 kHz ✓
Aliasing
Aliasing - Nyquist tezliyindən yüksək olan tezliklərin aşağı tezliklər kimi görünməsidir.
Anti-aliasing Filter:
- Sampling-dən əvvəl tətbiq olunur
- Nyquist tezliyindən yüksək tezlikləri kəsir
- Low-pass filter istifadə olunur
Quantization (Rəqəmsallaşdırma)
Quantization - hər nümunənin amplitudasını məhdud sayda diskret dəyərə yuvarlaqlaşdırmaqdır.
Bit Depth (Bit Dərinliyi)
Bit Depth - hər nümunəni təmsil etmək üçün istifadə olunan bit sayı.
Mümkün dəyərlər:
Levels = 2^(bit depth)
| Bit Depth | Mümkün səviyyələr | İstifadə |
|---|---|---|
| 8-bit | 256 | Retro games, lo-fi |
| 16-bit | 65,536 | CD audio, streaming |
| 24-bit | 16,777,216 | Professional recording |
| 32-bit float | ~4.3 milyar | DAW, audio processing |
Dynamic Range
Dynamic Range - ən yüksək və ən aşağı səs səviyyələri arasındakı fərqdir.
Dynamic Range (dB) ≈ 6 × bit depth
| Bit Depth | Dynamic Range |
|---|---|
| 8-bit | ~48 dB |
| 16-bit | ~96 dB |
| 24-bit | ~144 dB |
| 32-bit float | ~1,680 dB |
Quantization Error və Noise
Quantization Error - orijinal analog dəyər ilə quantize edilmiş dəyər arasındakı fərqdir.
Signal-to-Noise Ratio (SNR):
SNR (dB) ≈ 6.02 × bit depth + 1.76
- 16-bit: ~98 dB SNR
- 24-bit: ~146 dB SNR
Dithering
Dithering - quantization noise-u azaltmaq üçün audio işarəsinə kiçik miqdar random noise əlavə etməkdir.
Dithering faydalıdır:
- Bit depth azaldarkən (24-bit → 16-bit)
- Quantization distortion-u maskelə
- Low-level signal keyfiyyətini artırır
Pulse Code Modulation (PCM)
PCM - ən çox yayılmış digital audio format, sampling və quantization nəticəsidir.
PCM xüsusiyyətləri:
- Kompressiyasız (lossless)
- Sadə struktur
- Böyük fayl ölçüsü
- Yüksək keyfiyyət
File Size Hesablanması
File Size = Sample Rate × Bit Depth × Channels × Duration
Nümunə: Stereo CD audio (1 dəqiqə):
44,100 samples/sec × 16 bits × 2 channels × 60 seconds
= 84,672,000 bits
= 10,584,000 bytes
≈ 10.1 MB
Digital-to-Analog Conversion (DAC)
Digital audio-nu eşitmək üçün onu yenidən analog formata çevirmək lazımdır.
DAC prosesi:
- Binary data-dan voltaj səviyyələrinə çevrilmə
- Stepped signal yaranır
- Low-pass filter hamarlaşdırır
- Orijinal analog işarə bərpa olunur
Sample Rate Conversion
Bəzən bir sample rate-dən digərinə çevrilmə lazım olur.
Upsampling (məs: 44.1 → 48 kHz):
- Yeni nümunələr interpolation ilə yaradılır
- Keyfiyyət artmır, sadəcə uyğunlaşdırma
Downsampling (məs: 96 → 44.1 kHz):
- Anti-aliasing filter tətbiq olunur
- Bəzi məlumat itirilir
Optimal Parametr Seçimi
Tövsiyələr:
| Məqsəd | Sample Rate | Bit Depth |
|---|---|---|
| Voice/Speech | 16-22.05 kHz | 16-bit |
| Music streaming | 44.1 kHz | 16-bit |
| Music production | 48-96 kHz | 24-bit |
| Archival/Mastering | 96-192 kHz | 24-32 bit |
| Video sync | 48 kHz | 24-bit |
Xülasə
Sampling:
- Analog işarəni zamanda diskret nümunələrə bölür
- Sample rate tezlik diapazonunu müəyyən edir
- Nyquist teoremi: Sample rate ≥ 2 × f_max
- Aliasing-dən qaçmaq üçün anti-aliasing filter lazımdır
Quantization:
- Amplitudasını məhdud dəyərlərə çevirir
- Bit depth dynamic range və keyfiyyəti müəyyən edir
- Quantization noise qaçılmazdır
- Dithering noise-u maskeləyir
Praktik:
- CD: 44.1 kHz / 16-bit
- Professional: 48-96 kHz / 24-bit
- Daha yüksək parametrlər həmişə yaxşı deyil (file size, processing)