Обзор аудиокодека

Аудиокодек (сокращение от audio encoder/decoder, аудиокодер/декодер) играет ключевую роль в современных цифровых аудиосистемах, преобразуя аудиосигналы между аналоговым и цифровым форматами. Он эффективно сжимает аудиоданные для передачи или хранения и выполняет их декомпрессию для воспроизведения. Аудиокодеки широко используются в таких приложениях, как VoIP, потоковое вещание, видеоконференции и радиотрансляции, где важно сохранить высокое качество звука при оптимизации пропускной способности.

Что такое аудиокодек?

Термин «кодек» — это сокращение от COder/DECoder (кодер/декодер). Это программный или аппаратный модуль (а иногда и то и другое сразу), выполняющий две основные, часто последовательные, задачи:

Кодирование (сжатие)

Берёт необработанный, несжатый цифровой аудиосигнал (например, чистый WAV или AIFF прямо с микрофона студийного уровня) и сжимает его. Это резко уменьшает размер файла, удаляя избыточную или менее важную для восприятия человеком информацию.

Декодирование (декомпрессия)

Берёт сжатый аудиофайл (например, MP3, AAC или FLAC) и восстанавливает его до формы, которую могут воспроизвести ваши динамики или наушники. Это происходит в реальном времени, когда вы нажимаете «play».

Зачем нужны аудиокодеки?

Несжатый цифровой звук — например, качество CD — может генерировать более 1 Мбит данных в секунду. Для встраиваемых систем и IP-сетей это огромная нагрузка.

Используя подходящие аудиокодеки, можно:

• Сократить объём данных, экономя пропускную способность

• Оптимизировать хранение записей

• Обеспечить передачу в реальном времени, что особенно важно для двусторонней связи

• Улучшить качество звука с помощью функций вроде шумоподавления или регулировки усиления

Как работают аудиокодеки?

Аудиокодеки находятся в самом сердце любой системы цифровой аудиосвязи. Их основная задача — преобразовать аналоговый аудиосигнал в сжатый цифровой поток для передачи, а затем восстановить исходное звучание на принимающей стороне.

Разобьём этот процесс на этапы:

•  Аналого-цифровое преобразование (ADC)

Если источник звука аналоговый (например, микрофон), сигнал сначала оцифровывается. АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) дискретизирует волну с фиксированной частотой (например, 44,1 или 48 кГц) и квантует её с определённой разрядностью (например, 16 или 24 бита).

•  Кодирование (сжатие)

Оцифрованный сигнал проходит через кодер, который применяет алгоритмы для уменьшения объёма данных.

• С потерями (MP3, AAC, Opus): удаляют звуковые компоненты, которые менее заметны для человеческого слуха.

• Без потерь (FLAC, ALAC): уменьшают размер без удаления информации, используя методы энтропийного кодирования.

•  Передача или хранение

Сжатый поток передаётся по сети (VoIP, конференции, стриминг) или сохраняется в файл. Благодаря уменьшенному размеру снижается потребление полосы пропускания и объёма памяти.

•  Декодирование (декомпрессия)

При воспроизведении декодер выполняет обратное преобразование, восстанавливая цифровой сигнал. Для реального времени (звонки, трансляции) важна низкая задержка.

•  Цифро-аналоговое преобразование (DAC)

Если устройство воспроизводит аналоговый звук (наушники, динамики), ЦАП преобразует декодированный цифровой сигнал обратно в непрерывную аналоговую волну.

В результате слушатель слышит звук, максимально близкий к исходному, даже после сжатия, передачи и восстановления.

Распространенные аудиокодеки и сравнение

Советы:

• G.711 — обеспечивает наилучшую совместимость во всех VoIP/SIP системах

• G.722 — обеспечивает повышенную чёткость голоса

• Opus — идеален для современных конференций с низкой задержкой и высоким качеством

• AAC — широко используется для потокового аудио и видео

Реальные применения аудиокодеков

IP-система оповещения (Public Address System)

На схеме показана передача аудиосигнала в реальном времени с сервера SPON на IP-динамик.

Согласно данным пакетов, полученным через Wireshark, для передачи звука используется кодек MP3.

Преимущества использования MP3 в системах оповещения:

• Высокая эффективность сжатия — MP3 значительно уменьшает размер файлов без заметной потери качества, что важно для стабильной передачи по сети.

• Низкое потребление полосы пропускания — по сравнению с несжатыми форматами (например, PCM) MP3 требует меньше ресурсов.

• Широкая совместимость — MP3 поддерживается почти всеми современными устройствами, что упрощает интеграцию.

• Зрелая и стабильная технология — проверенные алгоритмы кодирования и декодирования.

• Поддержка низкой задержки — при правильной настройке подходит для систем экстренных оповещений и живых объявлений.

• Экономия ресурсов — MP3-декодирование требует мало процессорной мощности и памяти, что удобно для встроенных устройств.

IP-домофонная система (Intercom System)

На схеме показана передача аудио в реальном времени из SPON Windows APP на IP-домофон.

Согласно данным пакетов, полученным через Wireshark, для передачи звука используется кодек G.711μ (PCMU).

Преимущества использования G.711μ в домофонных системах:
• Низкая задержка — минимальная задержка из-за отсутствия сложного сжатия.
• Высокая чёткость речи — 64 кбит/с обеспечивают отличное качество для диалогов.
• Лёгкость обработки — кодек требует минимум ресурсов процессора, идеально для встроенных устройств.
• Широкая совместимость — поддерживается SIP/VoIP-системами, PBX, NVR.
• Отсутствие лицензионных платежей — стандартный, бесплатный для производителей и пользователей кодек.

Как выбрать правильный аудиокодек?