Цифровая звукозапись

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Схема прохождения звука от источника через микрофон, АЦП, процессор, ЦАП, громкоговоритель и снова в звук

Цифрово́й звук — результат преобразования аналогового сигнала звукового диапазона в цифровой аудиоформат.

Простейший метод преобразования, импульсно-кодовая модуляция (ИКМ), состоит в представлении последовательности мгновенных значений уровня сигнала, измеряемого аналого-цифровым преобразователем (АЦП) через равные промежутки времени.

Разновидностью ИКМ является дельта-модуляция, где в каждый момент отсчёта сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации.

Сигма-дельта модуляция' — способ представления сигнала на основе принципа избыточной дискретизации и формирования шума квантования, позволяет снизить уровень шума.

Современные методы используют более сложные алгоритмы преобразования. Помимо представления звуковых колебаний в цифровом виде, применяется также создание специальных команд для автоматического воспроизведения на различных электронных музыкальных инструментах. Ярчайшим примером такой технологии является MIDI.

Преимущества битового кода используются при передаче кодированного сигнала на расстояние, шифровании сигнала, цифровой подписи сигнала, восстановлении потерь, вызванных помехами при передаче, а также в прочих приложениях.

Цифровая звукозапись — технология преобразования аналогового звука в цифровой с целью сохранения его на физическом носителе для возможности последующего воспроизведения записанного сигнала.

Представление аудиоданных в цифровом виде позволяет очень эффективно изменять исходный материал при помощи специальных устройств или компьютерных программ — звуковых редакторов, что нашло широкое применение в промышленности, медиа-индустрии и быту.

Для воспроизведения цифрового звука применяют специальное оборудование, например музыкальные центры, цифровые плееры, компьютеры с звуковой картой и установленным программным обеспечением: аудиоплеером или медиаплеером.

История

  • В 1928 Гарри Найквист в работе «Определённые проблемы теории телеграфной передачи» определил требуемую полосу линии связи для передачи импульсного сигнала — основа цифрового звука[1]
  • В 1933 году В. А. Котельниковым в работе «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи» предложена и доказана Теорема Котельникова, согласно которой аналоговый сигнал с ограниченным спектром может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой строго большей удвоенной максимальной частоты спектра[2]
  • В 1937 году британский ученый Alec Reeves запатентовал первое описание импульсно-кодовой модуляции[3]
  • В 1948 году Клод Шеннон опубликовал «Математическую теорию связи»[4], а в 1949 — «Передача данных при наличии шума», где независимо от Котельникова доказал теорему с аналогичными результатами теореме Котельникова, поэтому в западной литературе эту теорему часто называют теоремой Шеннона.[5]
  • В 1950 Ричард Хэмминг опубликовал работу по обнаружению и исправлению ошибок[6]
  • В 1952 Дэвид Хаффман создал алгоритм префиксного кодирования с минимальной избыточностью (известный как алгоритм или код Хаффмана)[6]
  • В 1959 Алекс Хоквингем создал код исправления ошибок, ныне известный как Код Боуза — Чоудхури — Хоквингема[6]
  • В 1960 сотрудниками лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института Ирвином Ридом и Густавом Соломоном изобретён Код Рида — Соломона[6]
  • В 1967 техническим институтом исследований NHK представлен первый цифровой катушечный стереорекордер на 1-дюймовой видеоленте. В устройстве использовалась ИКМ-запись с разрядностью 12-бит и частотой дискретизации 30 кГц с применением компандера для расширения динамического диапазона[6]
  • В 1969 Sony представила 13-битный цифровой стереорекордер с частотой дискретизации 47,25 кГц, с записью на 2-х дюймовую видеоленту[6]
  • В 1972 был выпущен первый альбом записанный с цифровой мастер-ленты фирмой Nippon Columbia[7]
  • В 1977 на токийской аудио выставке Mitsubishi, Sony и Hitachi продемонстрировали прототипы цифровых грампластинок или аудиодисков[6]
  • В 1979 в Европе Philips демонстрирует прототип компакт-диска диаметром 115 мм, намереваясь его сделать мировым стандартом. 14-битная запись с частотой дискретизации 44,050 кГц не устроила Sony, которые предложили 16-разрядную запись с частотой 50 кГц, но в итоге из-за ограничений формата было решено выбрать частоту дискретизации 44,1 кГц и размер диска увеличить до 120 мм. Диск способен вмещать 74 минуты записи.
  • В 1980 стандарт компакт-диск был официально предложен, но на все согласования и доработки ушло два года[6]
  • В 1982 году в Европе и Японии был принят стандарт на систему компакт-диск[6]
  • Также в 1982 году представлен цифровой формат звукозаписи на катушечную ленту DASH предложенный фирмой Sony для многоканальной студийной записи
  • В 1987 Sony и Philips представили формат цифровой компакт-кассеты DAT
  • В 1992 Philips и Matsushita представили формат Digital Compact Cassette с применением сжатия MPEG1 layer 1
  • В том же 1992 Sony представила систему персонального аудио MiniDisc и кинотеатральную систему SDDS основанные на алгоритме сжатия ATRAC
  • В 1999 году компаниями Sony и Philips разработан стандарт SACD
  • В 2000 году представлен формат DVD-Audio

Принцип цифровой звукозаписи методом периодической дискретизации и квантования сигнала

Преобразование аналогового сигнала в цифровой в АЦП и обратное восстановление его в ЦАП
Структурная схема цифровой звукозаписи и воспроизведения

Принцип цифрового представления колебаний звукозаписи достаточно прост:

Принцип действия АЦП тоже достаточно прост: аналоговый сигнал, полученный от микрофонов и электро-музыкальных инструментов, преобразовывается в цифровой. Это преобразование включает в себя следующие операции:

  1. Ограничение полосы частот производится при помощи фильтра нижних частот для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.
  2. Дискретизацию во времени, то есть замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его значений в дискретные моменты времени — отсчетов. Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения.
  3. Квантование по уровню представляет собой замену величины отсчета сигнала ближайшим значением из набора фиксированных величин — уровней квантования.
  4. Кодирование или оцифровку, в результате которого значение каждого квантованного отсчета представляется в виде числа, соответствующего порядковому номеру уровня квантования.

Делается это следующим образом: непрерывный аналоговый сигнал «режется» на участки, с частотой дискретизации, получается цифровой дискретный сигнал, который проходит процесс квантования с определенной разрядностью, а затем кодируется, то есть заменяется последовательностью кодовых символов. Для качественной записи звука в полосе частот 20-20 000 Гц применяется минимальная стандартная частота дискретизации от 44,1 кГц и выше (в настоящее время появились АЦП и ЦАП c частотой дискретизации 192,3 и даже 384,6 кГц). Для получения довольно качественной записи достаточно разрядности 16 бит, однако для расширения динамического диапазона и повышения качества звукозаписи используется разрядность 24 (реже 32) бита.

Помехоустойчивое и канальное кодирование

Помехоустойчивое кодирование позволяет при воспроизведении сигнала выявить и устранить (или снизить частоту их появления) ошибки чтения с носителя. Для этого в процессе записи к отсчётам, полученным на выходе АЦП, добавляется искусственная избыточность (контрольные биты), которая впоследствии помогает восстановить повреждённый отсчёт. В устройствах записи звука обычно используется комбинация из двух или трех помехоустойчивых кодов. Если же выбранный уровень избыточности кодирования не позволяет восстановить правильное значение отсчёта, то производится его замена с помощью интерполяции, чтобы исключить появление скачкообразного изменения уровня сигнала (щелчка).

Для лучшей защиты от пакетных ошибок, вызванных повреждениями носителя информации (царапины на компакт-диске, загибы магнитной ленты) также применяется перемежение.

К полезному сигналу также добавляются вспомогательные данные, которые облегчают последующее декодирование. Это могут быть сигналы временного кода, служебные сигналы, сигналы синхронизации.

Канальное кодирование служит для согласования цифровых сигналов с параметрами канала передачи (записи/воспроизведения). Например, при записи цифровых сигналов на магнитный носитель необходимо исключить появление в токе записи постоянной составляющей и низкочастотных составляющих спектра (возникающих при появлении длинных последовательностей нулей или единиц). Для этого используются таблицы преобразования, по которым производится замена слов из m бит данных на слова из n канальных бит, причем всегда n > m. В устройствах воспроизведения цифровых сигналов канальный декодер выделяет из общего потока данных тактовые сигналы и выполняет обратное преобразование канальных n-битных слов в m-битные слова данных. После коррекции ошибок сигнал поступает в ЦАП.

Принцип действия ЦАП

Сигнал с ЦАП без интерполяции на фоне идеального сигнала.

Цифровой сигнал, полученный с декодера, преобразовывается в аналоговый. Это преобразование происходит следующим образом:

  1. Декодер ЦАП преобразует последовательность чисел в дискретный квантованный сигнал
  2. Путём сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
  3. Окончательное восстановление сигнала производится путём подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот

Методы цифровой звукозаписи

Основная статья: Цифровые аудиоформаты

По принципу записи выделяют следующие методы:

На цифровых носителях и в персональных компьютерах для хранения звука (музыки, голоса и т. п.) применяются различные форматы, позволяющие выбрать приемлемое соотношение сжатия, качества звука и объёма данных.

Популярные форматы файлов для персональных компьютеров и соответствующих устройств:

Звуки можно записывать с помощью микрофона, который преобразует звуковые колебания воздуха в электрический сигнал. Затем этот сигнал может быть определен количественно, но оцифровка должна включать размер количественного определения (объем) и время.

Немного подробнее о разных форматах звуковых файлов:

  • WAV (произносится как английское слово «wave») - формат, который каждый раз сохраняет оцифрованное значение. Это приводит к большому количеству данных для среднесрочных записей. Другие форматы, в свою очередь, используют некоторые методы сжатия данных. Формат WAV очень популярен и широко используется в профессиональных приложениях, обрабатывающих оцифрованные аудиосигналы. Среди преимуществ - хорошее качество звука; поддерживается в браузерах без плагина. Однако к недостаткам формата можно отнести тот факт, что аудиоданные, как правило, хранятся в необработанном, несжатом формате, поэтому файлы обычно большие.
  • MP3 - еще один популярный формат оцифровки аудио, который удаляет части аудиосигнала, которые человеческое ухо не может легко услышать. Результирующий звук по-прежнему звучит почти так же, как оригинал, но со значительно меньшим количеством битов. Это делает этот формат популярным для использования, особенно в Интернете, поскольку многие пользователи хотят музыку высокого качества, но с относительно коротким временем загрузки. Среди недостатков формата пользователи отмечают вероятность того, что может потребоваться автономный плагин для плеера или браузера, чтобы воспроизвести аудиофайл.
  • Формат AAC (Advanced Audio Coding) очень похож на вышеупомянутый поддерживаемый MP3, но он был разработан как преемник и предлагает лучшее качество и меньшие размеры файлов. Среди недостатков - файлы могут быть защищены от копирования, поэтому пользователь ограничен одобренными устройствами. Формат используется для музыки iTunes.
  • Ogg Vorbis - формат файла, предназначенный для эффективного распространения аудиофайлов по соединениям с умеренной пропускной способностью. Кодирование Vorbis может использоваться при более высоких скоростях передачи данных для большей точности. Плюсы в том, что программа бесплатная, открытый стандарт; поддерживается некоторыми браузерами (Firefox 3.5, Chrome 4 и Opera 10.5). Популярность к данному формату приходила постепенно.
  • FLAC (Free Lossless Audio Compression) - это формат файла, в котором музыка или звук хранятся в качестве без потерь. Если файл сжат, сжатие никоим образом не влияет на качество музыки, поскольку данные и обработка выполняются по другому принципу, нежели чем в других форматах (например, MP3).
  • WMA (Windows Media Audio) - лицензионный формат файлов, разработанный Microsoft для хранения и трансляции аудиоматериалов. Первоначально WMA был анонсирован как альтернатива MP3, но теперь преемником MP3 считается формат AAC (используется популярным интернет-магазином iTunes, как упоминалось выше). Достоинства WMA - очень хорошее качество звука; широко используется в интернете. Недостатки - файлы можно защитить от копирования; для некоторых устройств требуется скачивать проигрыватель отдельно.

Следует отметить, что для воспроизведения цифрового аудиофайла необходимо использовать какое-либо дополнительное обеспечение, такое как аудиоплееры, аудиоплагины и аудиопрограммное обеспечение.

Параметры, влияющие на качество цифровой звукозаписи

Основными параметрами, влияющими на качество цифровой звукозаписи, являются:

Также немаловажными остаются параметры аналогового тракта цифровых устройств звукозаписи и звуковоспроизведения:

Техника цифровой звукозаписи

Запись цифрового звука в настоящее время осуществляется на студиях звукозаписи, под управлением персональных компьютеров и другой дорогостоящей и качественной аппаратуры. Также довольно широко развито понятие «домашней студии», в которой применяется профессиональное и полупрофессиональное звукозаписывающее оборудование, позволяющее создавать качественные записи в домашних условиях.

Применяются звуковые карты в составе компьютеров, которые производят обработку в своих АЦП и ЦАП — чаще всего в 24 битах и 96 кГц, дальнейшее повышение битности и частоты дискретизации, практически не увеличивает качества записи.

Существует целый класс компьютерных программ — звуковых редакторов, которые позволяют работать со звуком:

  • записывать входящий звуковой поток
  • создавать (генерировать) звук
  • изменять существующую запись (добавлять семплы, изменять тембр, скорость звука, вырезать части и т. п.)
  • перезаписывать из одного формата в другой
  • конвертировать разные аудиокодеки

Некоторые простые программы, позволяют осуществлять только конвертацию форматов и кодеков.

Некоторые виды цифрового звука в сравнении

Основная статья: Сравнение звуковых форматов
Название формата Разрядность, бит Частота дискретизации, кГц Число каналов Величина потока данных с диска, кбит/с Степень сжатия/упаковки
CD 16 44,1 2 1411,2 1:1 без потерь
Dolby Digital (AC3) 16-24 48 6 до 640 ~12:1 с потерями
DTS 20-24 48; 96 до 8 до 1536 ~3:1 с потерями
DVD-Audio 16; 20; 24 44,1; 48; 88,2; 96 6 6912 2:1 без потерь
DVD-Audio 16; 20; 24 176,4; 192 2 4608 2:1 без потерь
MP3 плавающий до 48 2 до 320 ~11:1 с потерями
AAC плавающий до 96 до 48 до 529 с потерями
AAC+ (SBR) плавающий до 48 2 до 320 с потерями
Ogg Vorbis до 32 до 192 до 255 до 1000 с потерями
WMA до 24 до 96 до 8 до 768 2:1, есть версия без потерь

См. также

Примечания

  1. ↑ H. Nyquist, "Certain topics in telegraph transmission theory, " Trans. AIEE, vol. 47, pp. 617—644, Apr. 1928
  2. ↑ Котельников В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи // Успехи физических наук : Журнал. — 2006. — № 7. — С. 762-770.
  3. ↑ Robertson, David. Alec Reeves 1902—1971 Privateline.com: Telephone History Архивировано 11 мая 2014 года. (англ.)
  4. ↑ Клод Шеннон — Математическая теория связи
  5. ↑ C. E. Shannon. Communication in the presence of noise. Proc. Institute of Radio Engineers. Vol. 37. No. 1. P. 10—21. Jan. 1949.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6,8 The compact disc: a handbook of theory and use Авторы: Ken C. Pohlmann  (англ.)
  7. ↑ Billboard 22 авг 1981 — Japan’s denon label 10-year digital veteran (англ.)

Литература

  • Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем.-М. Мир, 1991.-446 с.: ил.
  • Золотухин И.П., Изюмов А.А., Райзман М.М. Цифровые звуковые магнитофоны. — Томск: «Радио и связь», 1990. — 160 с. — ISBN 5-256-00559-6.

Ссылки

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Цифровая_звукозапись&oldid=10403173