UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku.   1 

Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku 

 

Zapis analogowy  

 

Co oznacza termin "technika analogowa"? Mówiąc najprościej, obróbkę sygnałów w ich 
podstawowej niezmienionej (naturalnej), ciągłej postaci, czyli w ich naturalnym widmie 
częstotliwościowym. Ciągła postać oznacza w praktyce, Ŝe jeśli zakres zmienności sygnału 
wynosi od 0 do 1, to jego wartość (amplituda) moŜe w dowolnej chwili przyjąć dowolną 
wartość z tego przedziału i jest określona w całym okresie trwania sygnału.  
 
Dokładność określenia chwilowej wartości sygnału jest ograniczona w zasadzie jedynie 
dokładnością stosowanych przyrządów pomiarowych i warunkami pomiaru. 
Zapis analogowy oznacza, Ŝe sygnał jest rejestrowany na nośniku właśnie w naturalnej, 
ciągłej postaci. Jedyny zabieg, jakiemu sygnał jest poddany, do ewentualnie modulacja, 
umoŜliwiająca trwały zapis. 
 
Klasyczny przypadek zapisu w technice analogowej to np.: zapis dźwięku na taśmie 
magnetofonowej Compact Casette, lub obrazu na taśmie magnetowidu VHS. 
 
Taśma magnetyczna przesuwa się przed głowicą zapisującą. Głowica wytwarza zmienne 
pole magnetyczne, dokładnie odwzorowujące przebieg zapisywanego sygnału. Dzięki 
oddziaływaniu pola na taśmę, sygnał analogowy zostaje w niej odwzorowany w postaci 
tzw. pozostałości magnetycznej, czyli lokalnych zmian namagnesowania nośnika.  
 
Zarejestrowany w ten sposób sygnał ma przebieg dokładnie odzwierciedlający przebieg 
ź

ródła, jednak jest obciąŜony powaŜnymi problemami jakościowymi: 

 

•

 

wszelkie szumy, przydźwięki i zakłócenia, jakie powstają w układach 
elektronicznych toru zapisu oraz w połączeniach kablowych sumują się z sygnałem 
uŜytecznym, zniekształcając jego przebieg i obniŜając jakość późniejszego 
odtwarzania 

•

 

wraz z kolejnymi cyklami odczytu, wskutek bezpośredniego kontaktu głowicy z 
nośnikiem, stopniowemu zniszczeniu ulega warstwa ferromagnetyczna 
przechowująca pozostałość magnetyczną, a tym samym spada wierność nagrania, 
zanikają jego szczegóły 

 
Technikę analogową moŜna podsumować następująco: 

•

 

olbrzymią zaletą (niemoŜliwą do uzyskania w technikach cyfrowych) jest ciągłe 
odwzorowanie sygnału, przetwarzanie go w naturalnej postaci 

•

 

zasadniczą wadą jest trudność w eliminacji zakłóceń i szumów, której skutkiem jest 
słaba dynamika sygnału oraz niska wartość stosunku sygnał/szum. 

 
 
 
 

UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku.   2 

Zapis cyfrowy  

 

W technice cyfrowej sygnał przetwarzany jest z postaci naturalnej, ciągłej, do reprezentacji 
numerycznej, czyli ciągu dyskretnych wartości liczbowych. 
 
Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C) składa się z trzech podstawowych procesów: 

•

 

Próbkowania 

•

 

Kwantyzacji 

•

 

Kodowania. 

 

Próbkowanie 

 

Polega na określeniu wartości sygnału ciągłego w określonych odstępach czasu. "Chwile 
próbkowania" są określone przez częstotliwość próbkowania, jeden z podstawowych 
parametrów przetwarzania A/C – Rys. 1. 
 

 

 
Rys. 1 Próbkowanie 
 
Wskutek tego procesu, zamiast przebiegu ciągłego (analogowego), określonego w całym 
przedziale czasowym, uzyskujemy zbiór dyskretnych wartości, które moŜna przedstawić 
jako tzw. przebieg schodkowy, poniewaŜ w okresach czasu dzielących pobranie kolejnych 
próbek jego wartość jest stała. Oczywiste jest, Ŝe w miarę wzrostu częstotliwości 
próbkowania, wynikowy przebieg schodkowy coraz wierniej przybliŜa kształt przebiegu 
analogowego. Zgodnie z teorią przetwarzania sygnałów, minimalna częstotliwość 
próbkowania musi być dwukrotnie wyŜsza od granicznej częstotliwości przetwarzanego 
sygnału. 

 

Kwantyzacja 

W tym kroku, wartości sygnału uzyskane drogą próbkowania (naleŜące nadal do całego 
zakresu zmienności sygnału) zostają "zaokrąglane" w taki sposób, by moŜna je było 
przedstawić przy pomocy skończonej liczby wartości, wynikającej z tzw. rozdzielczości 
przetwarzania. Mówiąc w duŜym uproszczeniu, np.: wartości z przedziału 0-0,1 zostają 
określone jako 0,1, 0,1 -0,2 jako 0,2 itd. – rys. 2. 
 
 

UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku.   3 

 

Rys. 2. Kwantyzacja 
 
Na tym etapie powstaje tzw. błąd kwantyzacji, wynikający z tego, Ŝe reprezentując ciągły 
zakres zmienności sygnału przy pomocy kilku wartości dyskretnych, tracimy bezpowrotnie 
informację o małych zmianach w obrębie przedziałów pomiędzy sąsiednimi wartościami. 
Błąd ten jest tym większy im mniejsza jest liczba przedziałów kwantyzacji (mniejsza 
rozdzielczość). 

Kodowanie 

Na tym etapie liczbowe kody dyskretnych wartości, do jakich został sprowadzony sygnał 
ź

ródłowy, zostają zapisane w postaci liczbowej, czyli w przypadku binarnej techniki 

cyfrowej, w formie liczb zapisanych w systemie dwójkowym, ciągu zer i jedynek. – Rys. 3. 

  

 

Rys. 3 Kodowanie 
 
(Przetwarzanie cyfrowo-analogowe, z którym mamy do czynienia przy odtwarzaniu 
sygnału, polega, mówiąc w skrócie, na przetworzeniu ciągu liczb na przebieg schodkowy, a 
następnie na filtracji wygładzającej tak, by przybliŜał początkowy sygnał analogowy.)  
 
Uzyskany w ten sposób sygnał cyfrowy jest zapisywany na nośniku. Zamiast sygnału 
analogowego, urządzenia rejestrują ciąg 0 i 1. Zamiast nieskończonej liczby amplitud 
sygnału analogowego, uzyskujemy dwie dyskretne wartości. – Rys. 4. 

 

Rys. 4 Zapisywanie 
Dzięki temu, Ŝe zapisujemy, a następnie odczytujemy jedynie dwa stany logiczne (1/0, 
wysoki/niski, H/L, prawda/fałsz), moŜliwe jest skuteczne zabezpieczenie się przed 
wpływem zakłóceń i zniekształceń. Jeśli przyjmiemy, Ŝe np.: 0 logiczne zapisujemy jako 

UTK. Zapis analogowy i cyfrowy dźwięku.   4 

amplitudę -0,5V, a 1 jako +0,5V, łatwo moŜemy sobie wyobrazić, iŜ szumy i zakłócenia, 
nawet na poziomie 0,1V (czyli 10%) nie wpłyną na prawidłowość dekodowania tak 
znacznie odbiegających od siebie poziomów. Podobnie, zuŜycie lub częściowe 
rozmagnesowanie taśmy, na której sygnał został zapisany, sprawi, Ŝe zamiast +/-0,5V 
zostaną odczytane poziomy +/-0,3V, ale nadal prawidłowo będzie zdekodowany ciąg 0 i 1, 
czyli prawidłowa postać sygnału. 
 
W celu dalszej eliminacji zakłóceń, w zapisie cyfrowym są stosowane przeróŜne 
mechanizmy zabezpieczeń, takie jak suma kontrolna, przeplot, kodowanie blokowe i 
kanałowe, umoŜliwiające nawet rekonstrukcję zniekształconych danych. 
 

Problemy zapisu cyfrowego 

 
Zapis cyfrowy wiąŜe się równieŜ z pewnymi problemami: 

 

•

 

bardzo waŜna jest prawidłowa synchronizacja zapisu, a następnie odtworzenie 
przebiegu synchronizującego w trakcie odczytu, będące zasadniczym warunkiem 
prawidłowego przetworzenia C/A 

 

•

 

w procesie kwantyzacji tracimy część szczegółów przebiegu sygnału (tzw. błąd 
kwantyzacji), sygnał analogowy uzyskany następnie w wyniku przetwarzania C/A 
odbiega więc od pierwotnego sygnału analogowego. 

 
Istnieją sprawdzone metody minimalizacji wymienionych powyŜej niekorzystnych efektów 
przetwarzania sygnałów analogowych do postaci cyfrowej. 
Aby uzyskać dokładniejsze odwzorowanie cyfrowe sygnału analogowego, moŜna 
zwiększyć częstotliwość próbkowania - uzyskany w ten sposób przebieg schodkowy będzie 
bardziej zagęszczony. 
 
Podobnie, aby zmniejszyć błąd kwantyzacji ( "zaokrąglania" wartości poszczególnych 
schodków), czyli zwiększyć odstęp Sygnał/Szum, moŜna zwiększyć rozdzielczość 
przetwarzania, czyli liczbę bitów, przy pomocy których kodujemy wartość sygnału. 
Obydwie metody prowadzą jednak do radykalnego zwiększenia ilości danych powstających 
w wyniku przetwarzania.  
 
Określenie optymalnych parametrów przetwarzania wymaga dokładnej analizy, stosuje się 
róŜne kroki pośrednie, m. in. nadpróbkowanie (oversampling), często połączone ze 
zmniejszaniem rozdzielczości przetwarzania, decymację, czyli selekcję wybranych próbek 
sygnału. 
 
Dokładniejszy opis tych procesów moŜna odnaleźć w literaturze fachowej z zakresu 
przetwarzania sygnałów. 
 
 
Kolejnym zagadnieniem związanym z cyfrowym przetwarzaniem sygnałów analogowych 
jest kompresja cyfrowych danych uzyskanych w wyniku przetwarzania. Ogromne ilości 
danych (rzędu setek GB) moŜna wydajnie, przy zastosowaniu wyszukanych algorytmów, 
skompresować - tak, by było moŜliwe zapisanie materiału cyfrowego na dostępnych 
nośnikach.