Представьте себе, что вы находитесь в комнате. Сначала кто-то шепчет вам на ухо, а через секунду рядом начинает работать отбойный молоток. Уши человека устроены гениально: мы можем расслышать тихий шепот сразу после оглушительного шума, потому что наш слух умеет подстраиваться.
А теперь представьте, что этот звук нужно передать по рации или записать на простой диктофон. Скорее всего, если диктофон настроить на шепот, то крик превратится в неразборчивый хрип (перегрузка). А если настроить на крик, то шепота просто не будет слышно. Вот тут мы и сталкиваемся с понятием динамического диапазона.
Что такое динамический диапазон? (Метафора с лестницей)
Простыми словами, динамический диапазон — это способность устройства работать с сигналами разной громкости: от самых тихих до самых громких (точнее, разного уровня, потому что источником сигнала может быть не только звук).
Представьте себе лестницу. Ступеньки ведут из подвала (самый тихий звук) на чердак (самый громкий звук).
- Если у вас высокая лестница (широкий динамический диапазон), вы можете спокойно спуститься в подвал и забраться на чердак.
- Если лестница короткая (узкий диапазон), то вы либо застрянете внизу, не достав до верха, либо сломаете голову, пытаясь прыгнуть с чердака сразу на землю.
В мире электроники динамический диапазон определяет две важные вещи:
- С какой точностью нужно «щупать» (измерять) входящий сигнал, чтобы ничего не потерять.
- С какой точностью нужно создавать (формировать) исходящий сигнал, чтобы он звучал/выглядел естественно.
Динамический диапазон традиционно выражается в децибелах (дБ), как принято при измерении отношений напряжения или мощности. Проще говоря, динамический диапазон можно представить отношением наибольшей величины к наименьшей. Но этих отношений недостаточно, если речь идёт о микропроцессорной системе. Там ещё потребуется знать разрядность (разрешение) АЦП, чтобы обеспечить необходимую точность измерений.
Причем здесь точность? (И причем тут АЦП)
Любая современная техника (телефон, компьютер, музыкальный центр) работает с «цифрой» — с нулями и единицами. Но звук и многие другие сигналы из реального мира — «аналоговые», то есть плавные и непрерывные.
Чтобы превратить аналоговый сигнал в цифровой, используется специальное устройство — АЦП (Аналого-цифровой преобразователь). Это как переводчик с человеческого языка на компьютерный.
И вот тут динамический диапазон играет ключевую роль. Он отвечает на вопрос: «А на сколько кусочков нам нужно разрезать сигнал, чтобы потом склеить его обратно без потерь?»
Представьте, что вам нужно нарисовать линию, но рисовать можно только клеточками (пикселями), как в старой видеоигре.
- Если у вас мало клеточек (узкий динамический диапазон), вы сможете изобразить либо очень тонкую линию, либо очень жирную. Плавного перехода от тонкой к толстой у вас не выйдет — линия будет дерганой, ступеньками.
- Если у вас очень много мелких клеточек (широкий динамический диапазон), вы сможете нарисовать плавную линию любой толщины.
Как это работает на практике?
Допустим, АЦП может работать только в пределах от 0 до 10 вольт (напряжение — это аналог громкости), а разрядность АЦП восемь бит (то есть сигнал может быть разделён на 256 кусочков). Тогда минимальное напряжение, которое можно измерить с таким АЦП, будет равно 10 / 256 = 0,04 вольта.
- Пришел тихий сигнал (например, 0,01 вольта). Если динамический диапазон преобразователя узкий либо разрядность АЦП недостаточна, он может просто не заметить такой сигнал, решив, что это «тишина» (ноль). Тихое соло на скрипке пропадет. В нашем случае будет именно так - на выходе АЦП будет 0, а не 0,01, как нам бы хотелось, потому что минимальное напряжение, которое может засечь наш АЦП равно 0,04 В. Чтобы мы могли измерять входной сигнал с шагом 0,01 В, нам придётся либо сузить диапазон входных напряжений, либо увеличить разрядность АЦП. Например, если мы выберем АЦП с разрядностью 10 бит, то минимальное напряжение, которое мы сможем засечь с его помощью, будет уже 10 / 1024 = 0,009, что нам вполне подходит. Или если мы решим оставить 8-разрядный АЦП и уменьшить диапазон измеряемого напряжения с 0 до 2,5 В, то 2,5 / 256 = 0,097, что нас устроит. Ну либо перепишем техническое задание на наш прибор и укажем, что нам достаточно точности измерения +/- 0,05 В.
- Пришел громкий сигнал (например, 15 вольт). Ой! Это выше предела. АЦП упрется в потолок (в максимум) и дальше не пойдет. Вместо красивой волны на выходе будет просто прямая линия на пределе. Музыка превратится в кашу — это называется «клиппинг» или «перегруз».
Вывод: Динамический диапазон устройства (АЦП или ЦАП — цифро-аналогового преобразователя) должен быть шире, чем динамический диапазон самого сигнала. Тогда и шепот будет слышен, и крик не исказится.
Резюме
Динамический диапазон — это размер «лестницы», по которой гуляет сигнал. Если лестница короткая — тихие звуки теряются в шуме, а громкие превращаются в невнятный грохот.
АЦП — это «измеритель», который делит эту лестницу на ступеньки. Чем больше ступенек может различить АЦП (чем выше его разрешение, или разрядность), тем точнее и чище будет записан ваш голос, любимая песня или любой другой сигнал.
На этом всё. Подписывайтесь на канал, чтобы ничего не пропустить…