Audio digital
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de
versiunea revizuită la 8 decembrie 2021; verificarea necesită
1 editare .
Audio digital este rezultatul conversiei unui semnal audio analogic într-un format audio digital .
Cea mai simplă metodă de conversie, modularea codului de impulsuri (PCM), constă în prezentarea unei secvențe de niveluri de semnal instantanee măsurate de un convertor analog-digital ( ADC ) la intervale regulate.
O variație a PCM este modulația delta , în care în fiecare moment al probei semnalul este comparat cu o tensiune în dinte de ferăstrău la fiecare pas de eșantionare .
Modulația Sigma-delta - o metodă de reprezentare a semnalului bazată pe principiul supraeșantionării și generării de zgomot de cuantizare , vă permite să reduceți nivelul de zgomot .
Metodele moderne folosesc algoritmi de transformare mai complexi. Pe lângă reprezentarea vibrațiilor sonore în formă digitală, se mai folosește și crearea de comenzi speciale pentru redarea automată pe diverse instrumente muzicale electronice. Cel mai clar exemplu de astfel de tehnologie este MIDI .
Avantajele unui cod de biți sunt utilizate în transmiterea unui semnal codificat la distanță, criptarea semnalului, semnătura digitală a semnalului, restaurarea pierderilor cauzate de interferența transmisiei, precum și în alte aplicații.
Înregistrarea audio digitală este o tehnologie de conversie a sunetului analog în sunet digital pentru a-l stoca pe un mediu fizic, astfel încât semnalul înregistrat să poată fi reprodus ulterior.
Prezentarea datelor audio în formă digitală vă permite să schimbați foarte eficient materialul sursă folosind dispozitive speciale sau programe de calculator - editori de sunet , care este utilizat pe scară largă în industrie, industria media și viața de zi cu zi.
Pentru a reproduce sunetul digital, se folosesc echipamente speciale, cum ar fi centre de muzică , playere digitale , computere cu o placă de sunet și software instalat: player audio sau player media .
Istorie
- În 1928 , Harry Nyquist , în lucrarea sa „Certain Problems in the Theory of Telegraph Transmission”, a determinat lățimea de bandă necesară a unei linii de comunicație pentru transmiterea unui semnal pulsat - baza sunetului digital [1]
- În 1933, V. A. Kotelnikov , în lucrarea sa „On the throughput of eter and wire in telecommunications”, a propus și demonstrat teorema lui Kotelnikov , conform căreia un semnal analogic cu un spectru limitat poate fi restaurat în mod unic și fără pierderi din eșantioanele sale discrete prelevate cu o frecvență strict mai mare decât de două ori frecvența maximă a spectrului [2]
- În 1937, savantul britanic Alec Reeves a brevetat prima descriere a modulării codului pulsului [3]
- În 1948, Claude Shannon a publicat „Teoria matematică a comunicării” [4] , iar în 1949 – „Transmiterea datelor în prezența zgomotului”, unde, independent de Kotelnikov, a demonstrat o teoremă cu rezultate similare teoremei lui Kotelnikov , prin urmare, în Literatura occidentală, această teoremă este adesea numită teorema lui Shannon. [5]
- În 1950 , Richard Hamming a publicat o lucrare despre detectarea și corectarea erorilor [6]
- În 1952 , David Huffman a creat un algoritm de codificare a prefixului de redundanță minimă (cunoscut sub numele de algoritm sau cod Huffman ) [6]
- În 1959 , Alex Hockwingham a creat codul de corectare a erorilor cunoscut acum sub numele de codul Bowes-Chowdhury-Hockwingham [6]
- În 1960 , Irwin Reid și Gustav Solomon, angajați ai Laboratorului Lincoln de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, au inventat Codul Reed-Solomon [6]
- În 1967 , Institutul de Cercetare Tehnică NHK a introdus primul înregistrator stereo digital bobină la bobină pe casetă video de 1 inch. Dispozitivul a folosit înregistrarea PCM cu o adâncime de biți de 12 biți și o rată de eșantionare de 30 kHz folosind un compander pentru a extinde intervalul dinamic [6]
- În 1969 , Sony a introdus un înregistrator stereo digital de 13 biți cu o rată de eșantionare de 47,25 kHz, înregistrat pe casetă video de 2 inchi [6]
- În 1972 , a fost lansat primul album înregistrat de pe o casetă digitală master de către Nippon Columbia [7]
- În 1977 , la Tokyo Audio Exhibition , Mitsubishi , Sony și Hitachi au demonstrat prototipuri de înregistrări fonograf digitale sau discuri audio [6]
- În 1979 , în Europa , Philips demonstrează un CD prototip cu un diametru de 115 mm, intenționând să-l transforme în standard mondial. Înregistrarea pe 14 biți la 44,050 kHz nu s-a potrivit pentru Sony, care a oferit înregistrare pe 16 biți la 50 kHz, dar în final, din cauza limitărilor de format, s-a decis să se selecteze o rată de eșantionare de 44,1 kHz și să se mărească dimensiunea discului la 120. mm. Discul este capabil să rețină 74 de minute de înregistrare.
- În 1980 , standardul de disc compact a fost propus oficial, dar a fost nevoie de doi ani pentru toate aprobările și îmbunătățirile [6]
- În 1982, standardul sistemului CD a fost adoptat în Europa și Japonia [6]
- De asemenea, în 1982, a fost introdus un format digital de înregistrare a sunetului pentru bandă reel-to-reel DASH , propus de Sony pentru înregistrarea în studio multicanal.
- În 1987 , Sony și Philips au introdus formatul de casetă digitală compactă DAT .
- În 1992 , Philips și Matsushita au introdus formatul Digital Compact Cassette folosind compresia MPEG1 layer 1.
- Tot în 1992 , Sony a introdus sistemul audio personal MiniDisc și sistemul cinematografic SDDS bazat pe algoritmul de compresie ATRAC .
- În 1999, Sony și Philips au dezvoltat standardul SACD .
- Format DVD-Audio introdus în 2000
Principiul înregistrării digitale a sunetului prin metoda eșantionării periodice și cuantizării semnalului
Principiul reprezentării digitale a vibrațiilor de înregistrare a sunetului este destul de simplu:
Principiul de funcționare al ADC este, de asemenea, destul de simplu: semnalul analog primit de la microfoane și instrumente muzicale electrice este convertit într-unul digital. Această transformare include următoarele operații:
- Limitarea benzii se realizează folosind un filtru trece -jos pentru a suprima componentele spectrale a căror frecvență depășește jumătate din frecvența de eșantionare.
- Discretizarea în timp, adică înlocuirea unui semnal analogic continuu cu o secvență a valorilor sale în momente discrete de timp - mostre. Această problemă este rezolvată prin utilizarea unui circuit special la intrarea ADC - un dispozitiv de eșantionare și menținere .
- Cuantificarea nivelului este înlocuirea valorii eșantionului de semnal cu cea mai apropiată valoare dintr-un set de valori fixe - niveluri de cuantizare.
- Codificare sau digitizare, în urma căreia valoarea fiecărei probe cuantificate este reprezentată ca un număr corespunzător numărului ordinal al nivelului de cuantizare.
Acest lucru se face după cum urmează: un semnal analogic continuu este „taiat” în secțiuni, cu o frecvență de eșantionare, se obține un semnal digital discret, care trece prin procesul de cuantizare cu o anumită adâncime de biți, apoi este codificat, adică înlocuit. printr-o succesiune de simboluri de cod. Pentru înregistrarea sunetului de înaltă calitate în banda de frecvență de 20-20.000 Hz, este utilizată rata de eșantionare standard minimă de 44,1 kHz și mai mare (în prezent, au apărut ADC-uri și DAC-uri cu rate de eșantionare de 192,3 și chiar 384,6 kHz). Pentru a obține o înregistrare de calitate destul de înaltă, o adâncime de biți de 16 biți este suficientă, totuși, pentru a extinde intervalul dinamic și a îmbunătăți calitatea înregistrării sunetului, se folosește o adâncime de biți de 24 (rar 32) de biți.
Corectarea zgomotului și codificarea canalelor
Codarea de corectare a zgomotului permite, în timpul redării semnalului, să identifice și să elimine (sau să reducă frecvența apariției acestora) erorile de citire din medii. Pentru a face acest lucru, în timpul procesului de înregistrare, la probele obținute la ieșirea ADC se adaugă redundanță artificială (biți de control), care ulterior ajută la refacerea probei deteriorate. Dispozitivele de înregistrare audio folosesc de obicei o combinație de două sau trei coduri de corectare a erorilor. Dacă nivelul de redundanță de codare selectat nu permite restabilirea valorii corecte a referinței, atunci acesta este înlocuit cu interpolare pentru a exclude apariția unei modificări bruște a nivelului semnalului (clic).
Intercalarea este, de asemenea, utilizată pentru a proteja mai bine împotriva erorilor de explozie cauzate de coruperea suportului (zgârieturi CD, pliuri ale benzii magnetice) .
Datele auxiliare sunt, de asemenea, adăugate la semnalul util pentru a facilita decodificarea ulterioară. Acestea pot fi semnale de cod de timp , semnale de serviciu, semnale de sincronizare.
Codarea canalului este utilizată pentru a potrivi semnalele digitale cu parametrii canalului de transmisie (înregistrare/redare). De exemplu, atunci când se înregistrează semnale digitale pe un mediu magnetic, este necesar să se excludă apariția unei componente constante și a componentelor de joasă frecvență ale spectrului în curentul de înregistrare (care apar atunci când apar secvențe lungi de zerouri sau unu). Pentru a face acest lucru, se folosesc tabele de conversie, conform cărora cuvintele din m biți de date sunt înlocuite cu cuvinte din n biți de canal și întotdeauna n > m. În dispozitivele de redare a semnalului digital, decodorul de canal extrage semnalele de ceas din fluxul de date general și convertește invers cuvintele de canal de n biți în cuvinte de date de m biți. După corectarea erorilor, semnalul ajunge la DAC.
Principiul de funcționare al DAC
Semnalul digital primit de la decodor este convertit în analog. Această transformare are loc după cum urmează:
- Decodorul DAC convertește secvența de numere într-un semnal cuantificat discret
- Prin netezirea în domeniul timpului, un semnal continuu în timp este generat din eșantioane discrete
- Recuperarea finală a semnalului se face prin suprimarea spectrelor laterale într-un filtru analog trece-jos.
Metode de înregistrare audio digitală
Conform principiului înregistrării, se disting următoarele metode:
- Înregistrare magnetică a sunetului - semnalele digitale sunt înregistrate pe bandă magnetică. Există două tipuri de înregistrări:
- sistem de înregistrare linie cu linie - în care banda se mișcă de-a lungul unui bloc de capete de înregistrare/redare magnetice fixe ( DASH , DCC )
- sistem de înregistrare în linie oblică - în care banda se mișcă de-a lungul tamburului capetelor magnetice rotative, iar înregistrarea este efectuată oblic prin piste separate, ceea ce asigură o densitate mai mare decât sistemul de înregistrare a liniilor longitudinale. ( R-DAT , ADAT și sistemele timpurii constând dintr-un set-top box PCM și VCR)
- Înregistrare magneto-optică - înregistrarea se realizează cu ajutorul unui cap magnetic pe un strat magneto-optic special și, în momentul magnetizării, este încălzită pentru scurt timp de un laser la temperatura punctului Curie. ( Minidisc , Hi-MD )
- Înregistrarea cu laser - înregistrarea este efectuată de un fascicul laser, care arde depresiunile (gropile) de pe stratul sensibil la lumină al mediului optic . ( CD , DVD-Audio , DTS , SACD )
- Înregistrarea optică (fotografică) a sunetului se bazează pe acțiunea unui flux de lumină asupra unui strat sensibil la lumină al unui suport (bandă de film). ( Dolby Digital , SDDS )
- Înregistrarea sunetului pe suporturi electronice - datele sunetului sunt înregistrate folosind un computer personal ca fișiere pe diverse medii ( hard disk , discuri optice reinscriptibile , carduri flash , unități SSD ), în timp ce nu există nicio restricție privind corespondența obligatorie a formatului de sunet cu format media.
Pe mediile digitale și în computerele personale, sunt folosite diverse formate pentru a stoca sunetul (muzică, voce etc.) , permițându-vă să alegeți un raport acceptabil de compresie , calitatea sunetului și volumul datelor.
Formate de fișiere populare pentru computere personale și dispozitive asociate:
Sunetele pot fi înregistrate folosind un microfon, care transformă vibrațiile sonore din aer într-un semnal electric. Acest semnal poate fi apoi cuantificat, dar digitizarea trebuie să includă dimensiunea (volumul) și timpul de cuantificare.
Mai multe despre diferitele formate de fișiere audio:
- WAV (pronunțat ca cuvântul englez „wave”) este un format care stochează de fiecare dată valoarea digitizată. Acest lucru are ca rezultat o mulțime de date pentru înregistrările pe termen mediu. Alte formate, la rândul lor, folosesc unele metode de comprimare a datelor. Formatul WAV este foarte popular și utilizat pe scară largă în aplicațiile profesionale care procesează semnale audio digitalizate. Printre avantaje - calitate bună a sunetului; acceptat în browsere fără un plugin. Cu toate acestea, dezavantajele formatului includ faptul că datele audio sunt de obicei stocate într-un format brut, necomprimat, astfel încât fișierele sunt de obicei mari.
- MP3 este un alt format popular de digitizare audio care elimină părți ale semnalului audio pe care urechea umană nu le poate auzi cu ușurință. Sunetul rezultat încă sună aproape exact ca originalul, dar cu mult mai puțini biți. Acest lucru face ca acest format să fie popular de utilizat, în special pe Internet, deoarece mulți utilizatori doresc muzică de înaltă calitate, dar cu timpi de descărcare relativ scurti. Printre deficiențele formatului, utilizatorii notează posibilitatea ca un player autonom sau un plug-in de browser să fie necesar pentru a reda fișierul audio.
- Formatul AAC (Advanced Audio Coding) este foarte asemănător cu MP3-ul acceptat menționat mai sus, dar a fost conceput ca un succesor și oferă o calitate mai bună și dimensiuni mai mici ale fișierelor. Printre dezavantaje se numără faptul că fișierele pot fi protejate la copiere, astfel încât utilizatorul este limitat la dispozitivele aprobate. Formatul este folosit pentru muzica iTunes.
- Ogg Vorbis este un format de fișier conceput pentru distribuția eficientă a fișierelor audio pe conexiuni cu lățime de bandă moderată. Codificarea Vorbis poate fi utilizată la rate de biți mai mari pentru o mai mare acuratețe. Avantajele sunt că programul este gratuit, standard deschis; acceptat de unele browsere (Firefox 3.5, Chrome 4 și Opera 10.5). Popularitatea acestui format a venit treptat.
- FLAC (Free Lossless Audio Compression) este un format de fișier care stochează muzică sau sunet la o calitate fără pierderi. Dacă fișierul este comprimat, compresia nu afectează în niciun fel calitatea muzicii, deoarece datele și procesarea se fac diferit față de alte formate (de ex. MP3).
- WMA (Windows Media Audio) este un format de fișier licențiat dezvoltat de Microsoft pentru stocarea și difuzarea materialelor audio. WMA a fost anunțat inițial ca o alternativă la MP3, dar acum succesorul MP3-ului este AAC (utilizat de popularul magazin iTunes, așa cum am menționat mai sus). Avantajele WMA - calitate foarte bună a sunetului; utilizat pe scară largă pe internet. Dezavantaje - fișierele pot fi protejate împotriva copierii; Unele dispozitive necesită să descărcați playerul separat.
Trebuie remarcat faptul că, pentru a reda un fișier audio digital, trebuie să utilizați un software suplimentar, cum ar fi playere audio, pluginuri audio și software audio.
Parametrii care afectează calitatea sunetului digital
Principalii parametri care afectează calitatea înregistrării audio digitale sunt:
De asemenea, sunt importanți parametrii căii analogice a dispozitivelor de înregistrare și redare audio digitală:
Tehnologia audio digitală
Înregistrarea digitală a sunetului se realizează în prezent în studiourile de înregistrare, sub controlul computerelor personale și al altor echipamente scumpe și de înaltă calitate. Conceptul de „studio acasă” este, de asemenea, destul de dezvoltat, în care se utilizează echipamente de înregistrare profesionale și semi-profesionale, care vă permit să creați înregistrări de înaltă calitate acasă.
Plăcile de sunet sunt utilizate ca parte a computerelor care procesează în ADC-urile și DAC-urile lor - cel mai adesea în 24 de biți și 96 kHz, o creștere suplimentară a adâncimii de biți și a ratei de eșantionare practic nu crește calitatea înregistrării.
Există o întreagă clasă de programe de calculator - editori de sunet care vă permit să lucrați cu sunet:
Unele programe simple vă permit doar să convertiți formate și codecuri.
Unele tipuri de audio digital în comparație
| Nume format
|
Adâncime de biți, biți
|
Frecvența de eșantionare, kHz
|
Numărul de canale
|
Flux de date pe disc, kbit/s
|
Raport compresie/ambalare
|
| CD |
16 |
44.1 |
2 |
1411.2
|
1:1 fără pierderi
|
| Dolby Digital (AC3) |
16-24 |
48
|
6 |
până la 640 |
~12:1 cu pierderi
|
| DTS |
20-24 |
48; 96 |
pana la 8 |
înainte de 1536
|
~3:1 cu pierderi
|
| DVD Audio |
16; douăzeci; 24 |
44,1; 48; 88,2; 96 |
6 |
6912
|
2:1 fără pierderi
|
| DVD Audio |
16; douăzeci; 24 |
176,4; 192 |
2 |
4608
|
2:1 fără pierderi
|
| MP3 |
plutitoare |
pana la 48 |
2 |
până la 320
|
~11:1 cu pierdere
|
| AAC |
plutitoare |
până la 96 |
pana la 48 |
până la 529
|
cu pierderi
|
| AAC+ ( SBR ) |
plutitoare |
pana la 48 |
2 |
până la 320
|
cu pierderi
|
| Ogg Vorbis |
pana la 32 |
până la 192 |
până la 255 |
până la 1000
|
cu pierderi
|
| WMA |
pana la 24 |
până la 96 |
pana la 8 |
până la 768
|
2:1, există o versiune fără pierderi
|
Vezi și
Note
- ↑ H. Nyquist, „Certain topics in telegraph transmission theory”, Trad. AIEE, voi. 47, pp. 617-644, apr. 1928
- ↑ Kotelnikov V. A. On the throughput of "ether" and wire in telecommunications // Uspekhi fizicheskikh nauk : Journal. - 2006. - Nr 7 . - S. 762-770 .
- ↑ Robertson, David. Alec Reeves 1902-1971 Privateline.com: Istoricul telefonului Arhivat 11 mai 2014. (Engleză)
- ↑ Claude Shannon - Teoria matematică a comunicării
- ↑ C.E. Shannon. Comunicare în prezența zgomotului. Proc. Institutul de Ingineri Radio. Vol. 37. Nu. 1. P. 10-21. ian. 1949.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 The compact disc: a handbook of theory and use Autori: Ken C. Pohlmann
- ↑ Billboard 22 august 1981 - Veteranul digital de 10 ani al etichetei denon din Japonia
Literatură
- Shkritek P. Ghid de referință pentru circuitele de sunet: Per. cu germană - M. Mir, 1991.-446 p.: ill.
- Zolotukhin I.P., Izyumov A.A., Raizman M.M. Inregistratoare digitale de sunet. - Tomsk: „Radio și comunicare”, 1990. - 160 p. — ISBN 5-256-00559-6 .
Link -uri