Цифровая звукозапись


Цифровая звукозапись
Схема прохождения звука от источника через микрофон, АЦП, процессор, ЦАП, громкоговоритель и снова в звук

Цифрово́й звук — кодирование аналогового звукового сигнала в виде битовой последовательности. Простейшая форма кодирования аналогового звукового сигнала состоит в представлении последовательности уровней электрических звуковых колебаний в определенные промежутки времени с применением импульсно-кодовой модуляции. Также издавна известна сигма-дельта-модуляция. Современные системы кодирования в цифровой звук используют более сложные подходы, некоторые из которых, но не все, основаны на изначальном незначительном искажении, обычно невоспринимаемом человеческим ухом. Кроме описания 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, криптовании сигнала, цифровой подписи сигнала, восстановлении потерь, вызванной 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.

Содержание

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 Массачуссетского 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 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 при записи к сигналу полученному на выходе АЦП добавляется искусственная избыточность (контрольный бит), которая впоследствии помогает восстановить поврежденный отсчет. В устройствах записи звука обычно используется комбинация из двух или трех помехоустойчивых кодов. Для лучшей защиты от пакетных ошибок также применяется перемежние.

Канальное кодирование служит для согласования цифровых сигналов с параметрами канала передачи (записи/воспроизведения). К полезному сигналу добавляются вспомогательные данные, которые облегчают последующее декодирование. Это могут быть сигналы временного кода, служебные сигналы, сигналы синхронизации.

В устройствах воспроизведения цифровых сигналов канальный декодер выделяет из общего потока данных тактовые сигналы и преобразует поступивший канальный сигнал в цифровой поток 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. Путем сглаживания во временной области из дискретных отсчетов вырабатывается непрерывный во времени сигнал
  3. Окончательное восстановление сигнала производится путем подавления побочных спектров в аналоговом фильтре нижних частот

Методы цифровой звукозаписи

По принципу записи выделяют следующие методы:

  • Магнитная звукозапись — запись цифровых сигналов производится на магнитную ленту. Выделяют два типа записи:
    • продольно-строчная система записи — в которой лента движется вдоль блока неподвижных магнитных головок записи/воспроизведения (DASH,DCC)
    • наклонно-строчная система записи — в которой лента движется вдоль барабана вращающихся магнитных головок и запись осуществляется наклонно отдельными дорожками, что обеспечивает большую плотность, по сравнению с продольно-строчной системой записи. (R-DAT, ADAT)
  • Магнитооптическая запись — запись ведется с помощью магнитной головки на специальный магнитооптический слой и в момент намагничивания кратковременно разогревается лазером до температуры точки Кюри. (Минидиск,Hi-MD)
  • Лазерная запись — запись производится лазерным лучом, который выжигает углубления (питы) на светочувствительном слое оптического носителя. (Компакт-диск, DVD-Audio, DTS, SACD)
  • Оптическая (фотографическая) запись звука — основана на воздействии светового потока на светочувствительный слой носителя (киноленты). (Dolby Digital, SDDS)
  • Запись звука на электронные носители — звуковые данные при помощи персонального компьютера записываются в виде файлов на различные носители (жесткие диски, перезаписываемые оптические диски, флеш-карты, твердотельные накопители), при этом отсутствует ограничение на обязательное соответствие формата звука формату носителя.

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:

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 сэмплы, 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

Название формата Квантование, 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 (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. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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.

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Цифровая звукозапись" в других словарях:

  • Звукозапись — Не следует путать с Звукопись. Звукозапись процесс сохранения колебаний в диапазоне 20 20 000 Гц (музыки, речи или иных звуков) на каком либо носителе (грампластинки, магнитная лента, компакт диск и т. д.) с помощью специальных приборов (микрофон …   Википедия

  • ЦЗЗ — цифровая звукозапись …   Словарь сокращений русского языка

  • История звукозаписи — Методы и носители для звукозаписи менялись и подверглись значительным изменениям с момента записи первых звуков (для последующего их воспроизведения) до настоящего времени. Содержание 1 Механические музыкальные инструменты 2 …   Википедия

  • Микшерный пульт — Yamaha 2403 Микшерный пульт («микш …   Википедия

  • ЗВУКА ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ И ЗАПИСЬ — воспроизведение натуральных звучаний электромеханическими средствами и сохранение их в форме, позволяющей восстанавливать их с максимальной верностью оригиналу. Более подробная информация о физических принципах, лежащих в основе затрагиваемых… …   Энциклопедия Кольера

  • ADAT — Alesis ADAT XT  самый распространенный в 1990 е годы цифровой многодорожечный магнитофон ADAT (англ.  Alesis Digital Audio Tape  цифровая аудиолента фирмы Alesis)  пакет стандартов …   Википедия

  • Digital Audio Tape — У этого термина существуют и другие значения, см. DAT. DAT …   Википедия

  • Сигма-дельта-модуляция — Технологии модуляции  п·Аналоговая модуляция AM · SSB · ЧМ(FM) · ЛЧМ · ФМ(PM) · СКМ Цифровая модуляция АМн …   Википедия

  • Звуковой компакт-диск — Это статья об одной из разновидностей оптических дисков. О других реализациях см.: Компакт диск. Звуковой компакт диск …   Википедия

  • Цифровые аудиоформаты — Цифровой аудиоформат  формат представления звуковых данных, используемый при цифровой звукозаписи, а также для дальнейшего хранения записанного материала на компьютере и других электронных носителях информации, так называемых звуковых… …   Википедия

Книги

  • Спасибо! (аудиокурс MP3), А. Куцерева-Жаме, М. Китадзе. Учебник "Спасибо" (А 1-А 2) предназначается для университетов и учебных заведений, в которых русский язык изучается как второй язык, для всех, кто питает искренний интерес к России, и,… Подробнее  Купить за 1152 руб аудиокнига
  • Владимир 2 (аудиокурс CD), Г. М. Левина, Е. Ю. Николенко. Аудиоприложение к учебнику для иностранных учащихся, владеющих русским языком в объеме базового уровня. Главная задача учебника - выход в реальную коммуникацию наоснове художественных текстов… Подробнее  Купить за 412 руб аудиокнига
  • По страницам Пушкина (аудиокнига CD), . Предлагаем вашему вниманию аудиокнигу из серии "Библиотека Златоуста" . Серия включает адаптированные тексты (в печатном и звуковом виде) для пяти уровней владениярусским языком как… Подробнее  Купить за 329 руб аудиокнига
Другие книги по запросу «Цифровая звукозапись» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.