Звук существует только когда давление меняется во времени. Уберите отсюда временную составляющую и вы получите неподвижное воздушное давление, полезное для синоптиков, но не для нас. Поэтому становится интуитивно понятно, что то, как часто вы измеряете уровень сигнала, влияет на то, как точно вы его запишете.
На самом деле этот принцип был известен задолго до изобретения цифровой записи. В 1920 году инженер из лаборатории компании Bell Гарри Найквист (Harry Nyquist) математически доказал, что наивысшая частота, которую вы можете точно воспроизвести, должна быть меньше половины значения частоты дискретизации. Частоты выше половины частоты дискретизации, по определению Найквиста (Nyquist Limit) начинают смешиваться с самой частотой дискретизации. Получившиеся данные включают в себя дополнительные частоты, которые не являются гармониками исходной волны. Когда вы воспроизводите данные, эти частоты воссоздаются наравне с требуемой. В результате у вас получаются ужасные скрипы и свисты, наложенные на оригинал.
Чтобы избежать этого, аналого-цифровые преобразователи используют сглаживающие (antialiasing) фильтры для отсеивания высоких частот; эти фильтры зачастую настраиваются на частоту чуть ниже половины частоты дискретизации. Цифро-аналоговые схемы имеют подобные восстанавливающие (reconstruction) или сглаживающие (smoothing) фильтры на той же частоте.
Благодаря пределу Найквиста и некоторым практическим ограничениям при изготовлении фильтров цифровые аудиосистемы обычно настроены на то, чтобы отсекать все частоты выше примерно 45 процентов от частоты дискретизации. Для компакт-дисков используется частота дискретизации 44, 1 кГц, поэтому они могут хранить 20-килогерцовый аудиосигнал, что считается минимальным требованием стандарта высокой четкости (стандарт high fidelity, более известный как Hi-Fi. -Примеч. перев.). Компьютерные устройства часто используют частоту дискретизации, равную 22 кГц, для сохранения данных. Это подразумевает верхний предел для звука в 10 кГц, примерно такой же, как у АМ-радио. Аналоговое телевидение и стерео-FM обрезается на 15 кГц, поскольку передатчик выдает управляющие сигналы выше этой частоты. Поэтому на станциях теле-и радиовещания для хранения записей и для спутниковых передач часто используется частота дискретизации 32 кГц. Телефония в США традиционно ограничивается 3, 5 кГц. Поэтому когда были установлены цифровые коммутаторные сети и магистральные линии, выбрали частоту дискретизации 8 кГц.
Есть исключения. Стандартная частота дискретизации для профессионального видео-48 кГц. Но большая часть оборудования для нелинейного монтажа поддерживает также частоту дискретизации, равную 44, 1 кГц, и использует одни и те же фильтры для обоих случаев. Это означает, что выигрыша от большей частоты вы не получите. В некотором профессиональном оборудовании используется дискретизация с частотой 96 кГц, но очень немногие инженеры считают, что мы можем слышать звук, оцифрованный с частотой до 40 кГц. Такая высокая частота была выбрана затем, чтобы скрыть артефакты, создаваемые фильтром, которые усиливаются по мере приближения к обрезаемой частоте, в области, далекой от слышимого диапазона.
