Цифровой звук - это звук, записанный или преобразованный в цифровую форму . В цифровом аудио, звуковая волна от звукового сигнала , как правило , кодируются в виде числовых образцов в непрерывной последовательности. Например, в аудио компакт-диске сэмплы берутся 44 100 раз в секунду , каждая с глубиной сэмпла 16 бит . Цифровой звук - это также название всей технологии записи и воспроизведения звука с использованием аудиосигналов, закодированных в цифровой форме. После значительных достижений в области цифровых аудиотехнологий в 1970-х и 1980-х годах он постепенно вытесниланалоговые аудиотехнологии во многих областях аудиотехники и телекоммуникаций в 1990-х и 2000-х годах.
В цифровой аудиосистеме аналоговый электрический сигнал, представляющий звук, преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) в цифровой сигнал, обычно с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Затем этот цифровой сигнал можно записывать, редактировать, изменять и копировать с помощью компьютеров , устройств воспроизведения звука и других цифровых инструментов. Когда звукорежиссер желает прослушать запись в наушниках или громкоговорителях (или когда потребитель желает прослушать цифровой звуковой файл), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратный процесс, преобразуя цифровой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который затем отправляется через усилитель мощности звука и, в конечном итоге, в громкоговоритель .
Цифровые аудиосистемы могут включать в себя компоненты сжатия , хранения , обработки и передачи . Преобразование в цифровой формат позволяет удобно манипулировать, хранить, передавать и извлекать аудиосигнал. В отличие от аналогового звука, при котором создание копий записи приводит к потере генерации и ухудшению качества сигнала, цифровой звук позволяет делать бесконечное количество копий без какого-либо ухудшения качества сигнала.
Обзор
Цифровые аудиотехнологии используются для записи, обработки, массового производства и распространения звука, включая записи песен , инструментальных произведений, подкастов , звуковых эффектов и других звуков. Современное онлайн-распространение музыки зависит от цифровой записи и сжатия данных . Доступность музыки в виде файлов данных, а не физических объектов, значительно снизила затраты на распространение. [1] До появления цифрового звука музыкальная индустрия распространяла и продавала музыку, продавая физические копии в виде пластинок и кассет . С помощью систем цифрового аудио и онлайн-распространения, таких как iTunes , компании продают потребителям цифровые звуковые файлы, которые потребитель получает через Интернет.
Аналоговая аудиосистема преобразует физические формы волны звука в электрические представления этих форм волны с помощью преобразователя , такого как микрофон . Затем звуки сохраняются на аналоговом носителе, таком как магнитная лента , или передаются через аналоговый носитель, такой как телефонная линия или радио . Для воспроизведения процесс обратный: электрический звуковой сигнал усиливается, а затем преобразуется обратно в физические формы волны через громкоговоритель . Аналоговый звук сохраняет свои фундаментальные волновые характеристики при хранении, преобразовании, дублировании и усилении.
Аналоговые аудиосигналы подвержены шумам и искажениям из-за врожденных характеристик электронных схем и связанных с ними устройств. Помехи в цифровой системе не приводят к ошибке, если только помеха не настолько велика, что приводит к неправильной интерпретации символа как другой символ или нарушению последовательности символов. Поэтому, как правило, можно иметь полностью безошибочную цифровую аудиосистему, в которой не возникает шума или искажений между преобразованием в цифровой формат и преобразованием обратно в аналоговый.
Цифровой аудиосигнал может быть закодирован для исправления любых ошибок, которые могут возникнуть при хранении или передаче сигнала. Этот метод, известный как канальное кодирование , необходим для широковещательных или записанных цифровых систем для поддержания битовой точности. Модуляция от восьми до четырнадцати - это код канала, используемый в аудио компакт-диске (CD).
Процесс конвертации
Если аудиосигнал аналоговый, цифровая аудиосистема начинается с АЦП, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. [примечание 1] АЦП работает с указанной частотой дискретизации и выполняет преобразование с известным битовым разрешением. Например, CD-аудио имеет частоту дискретизации 44,1 кГц (44 100 выборок в секунду) и 16-битное разрешение для каждого стереоканала . Аналоговые сигналы, которые еще не были ограничены полосой, должны быть пропущены через фильтр сглаживания перед преобразованием, чтобы предотвратить искажение наложения спектров , вызываемое аудиосигналами с частотами выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации).
Цифровой аудиосигнал может быть сохранен или передан. Цифровой звук может храниться на компакт-диске, цифровом аудиоплеере , жестком диске , USB-накопителе или любом другом устройстве хранения цифровых данных . Цифровой сигнал может быть изменен посредством цифровой обработки сигнала , где его можно фильтровать или применять эффекты . Преобразование частоты дискретизации, включая повышающую и понижающую дискретизацию, может использоваться для согласования сигналов, которые были закодированы с другой частотой дискретизации, с общей частотой дискретизации перед обработкой. Для уменьшения размера файла обычно используются методы сжатия аудиоданных, такие как MP3 , Advanced Audio Coding , Ogg Vorbis или FLAC . Цифровой звук может передаваться через цифровые аудиоинтерфейсы, такие как AES3 или MADI . Цифровое аудио может передаваться по сети с использованием аудио через Ethernet , аудио через IP или другие стандарты и системы потокового мультимедиа .
Для воспроизведения цифровой звук должен быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Согласно теореме выборки Найквиста – Шеннона , с некоторыми практическими и теоретическими ограничениями, версия исходного аналогового сигнала с ограниченной полосой частот может быть точно реконструирована из цифрового сигнала.
История
Кодирование
Импульсно-кодовая модуляция (PCM) , была изобретена английским ученым Алек Reeves в 1937 году [2] В 1950 г. С. Чэпин Катлер из Bell Labs , поданного патент на дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКЙ), [3] с сжатием данных алгоритма . Адаптивный DPCM (ADPCM) был представлен П. Каммиски, Никилом С. Джаянтом и Джеймсом Л. Фланаганом в Bell Labs в 1973 году. [4] [5]
Перцепционное кодирование было впервые использовано для сжатия кодирования речи с кодированием с линейным предсказанием (LPC). [6] Первоначальные концепции LPC восходят к работе Фумитада Итакура ( Университет Нагоя ) и Сюдзо Сайто ( Nippon Telegraph and Telephone ) в 1966 году. [7] В 1970-х годах Бишну С. Атал и Манфред Р. Шредер из Bell Labs разработал форму LPC, называемую адаптивным прогнозирующим кодированием (APC), алгоритм перцептивного кодирования, который использовал маскирующие свойства человеческого уха, за которым в начале 1980-х годов последовал алгоритм линейного прогнозирования с кодовым возбуждением (CELP). [6]
Кодирование с дискретным косинусным преобразованием (DCT), метод сжатия с потерями, впервые предложенный Насиром Ахмедом в 1972 году [8] [9], лег в основу модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT), который был разработан JP Princen, AW Johnson и AB. Брэдли в 1987 году. [10] MDCT является основой для большинства стандартов кодирования звука , таких как Dolby Digital (AC-3), [11] MP3 ( MPEG Layer III), [12] [6] Advanced Audio Coding (AAC). , Windows Media Audio (WMA) и Vorbis ( Ogg ). [11]
Запись
PCM использовался в телекоммуникационных приложениях задолго до его первого использования в коммерческом вещании и записи. Коммерческая цифровая запись была впервые в Японии NHK и Nippon Columbia и их Denon бренд, в 1960 - е годы. Первые коммерческие цифровые записи были выпущены в 1971 году. [13]
BBC также начал экспериментировать с цифровым звуком в 1960 - х годах. К началу 1970-х годов он разработал 2-канальный рекордер, а в 1972 году развернул систему цифровой передачи звука, которая связала их радиовещательный центр с их удаленными передатчиками. [13]
Первая запись 16-битного PCM в Соединенных Штатах была сделана Томасом Стокхэмом в Опере Санта-Фе в 1976 году на магнитофоне Soundstream . Усовершенствованная версия системы Soundstream использовалась Telarc для создания нескольких классических записей в 1978 году. Разрабатываемый в то время цифровой многодорожечный рекордер 3M был основан на технологии BBC. Первым полностью цифровым альбомом, записанным на этой машине, был альбом Ry Cooder 's Bop till You Drop в 1979 году. Британский лейбл Decca начал разработку собственных двухдорожечных цифровых аудиомагнитофонов в 1978 году и выпустил первую европейскую цифровую запись в 1979 году. [ 13]
Популярные профессиональные цифровые многодорожечные рекордеры, произведенные Sony / Studer ( DASH ) и Mitsubishi ( ProDigi ) в начале 1980-х годов, помогли добиться признания цифровой записи крупными звукозаписывающими компаниями. Появление в 1982 году компакт-дисков популяризировало цифровой звук у потребителей. [13]
Телефония
Быстрое развитие и широкое распространение цифровой телефонии с ИКМ стало возможным благодаря технологии схем с коммутируемыми конденсаторами (SC) металл-оксид-полупроводник (МОП) , разработанной в начале 1970-х годов. [14] Это привело к разработке микросхем кодека-фильтра ИКМ в конце 1970-х годов. [14] [15] кремниевый затвор КМОП (комплементарный МОП) PCM кодек-фильтр чип, разработанный David A. Hodges и WC Black в 1980 году, [14] с тех пор был промышленным стандартом для цифровой телефонии. [14] [15] К 1990-м годам телекоммуникационные сети, такие как коммутируемая телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с помощью VLSI (очень крупномасштабная интеграция ) CMOS PCM кодек-фильтров, широко используемых в электронных коммутационных системах для телефонных станций. , пользовательские модемы и ряд приложений цифровой передачи, таких как цифровая сеть с интегрированными услугами (ISDN), беспроводные и сотовые телефоны . [15]
Технологии
Цифровое аудио используется при трансляции аудио. Стандартные технологии включают цифровое аудиовещание (DAB), мировое цифровое радио (DRM), HD-радио и внутриполосное прямое вещание (IBOC).
Цифровой звук в записывающих приложениях хранится на специальных аудиотехнологиях, включая компакт-диски, цифровые аудиокассеты (DAT), цифровые компакт-кассеты (DCC) и мини-диски . Цифровой звук может храниться в стандартных форматах аудиофайлов и храниться на записывающем устройстве с жестким диском , Blu-ray или DVD-Audio . Файлы можно воспроизводить на смартфонах, компьютерах или MP3-плеере .
Интерфейсы
Цифровые аудиоинтерфейсы включают в себя:
- A2DP через Bluetooth
- AC'97 (Audio Codec 1997) интерфейс между интегральными схемами на материнских платах ПК
- Интерфейс ADAT Lightpipe
- Интерфейс AES3 с разъемами XLR , общий для профессионального аудиооборудования
- AES47 - профессиональный цифровой звук в стиле AES3 по сетям с асинхронным режимом передачи
- Intel High Definition Audio - современная замена AC'97
- Интерфейс I²S (Inter-IC sound) между интегральными схемами в бытовой электронике
- MADI (многоканальный цифровой аудиоинтерфейс)
- MIDI - межсоединение с низкой пропускной способностью для передачи данных инструмента; не может передавать звук, но может переносить цифровые образцы данных не в реальном времени
- S / PDIF - либо через коаксиальный кабель, либо через TOSLINK , распространенный в бытовом аудиооборудовании и производный от AES3
- Фирменный формат TDIF , TASCAM с кабелем D-sub
Несколько интерфейсов разработаны для передачи цифрового видео и звука вместе, включая HDMI и DisplayPort .
Для персональных компьютеров , USB и IEEE 1394 есть положения, обеспечивающие в режиме реального времени цифровое аудио. В профессиональных архитектурных или инсталляционных приложениях существует множество протоколов и интерфейсов аудио через Ethernet . В вещании предпочтение отдается более общей сетевой технологии передачи звука по IP . В телефонии передача голоса по IP используется в качестве сетевого интерфейса для цифрового звука для голосовой связи.
Смотрите также
- Цифровой аудиоредактор
- Цифровой синтезатор
- Синтез частотной модуляции
- Звуковой чип
Заметки
- ^ Некоторые аудиосигналы, например, созданные с помощью цифрового синтеза, происходят полностью в цифровой области, и в этом случае аналого-цифровое преобразование не происходит.
Рекомендации
- ^ Janssens, Jelle; Стейн Вандаэле; Том Вандер Бекен (2009). «Музыкальная индустрия на линии? Пережить музыкальное пиратство в эпоху цифровых технологий». Европейский журнал преступности, уголовного права и уголовного правосудия . 77 (96): 77–96. DOI : 10.1163 / 157181709X429105 . hdl : 1854 / LU-608677 .
- ^ Genius Unrecognized , BBC, 27 марта 2011 г. , дата обращения 30 марта 2011 г.
- ^ Патент США 2605361 , C. Чэпин Катлер, «Дифференциальная Квантование сигналов связи», выданный 1952-07-29
- ^ П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Дж. Л. Фланаган, «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании речи с ИКМ», Bell Syst. Tech. J. , т. 52, стр. 1105–1118, сентябрь 1973 г.
- ^ Cummiskey, P .; Джаянт, Никил С .; Фланаган, JL (1973). «Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании речи с ИКМ». Технический журнал Bell System . 52 (7): 1105–1118. DOI : 10.1002 / j.1538-7305.1973.tb02007.x . ISSN 0005-8580 .
- ^ а б в Шредер, Манфред Р. (2014). "Bell Laboratories" . Акустика, информация и связь: Мемориальный том в честь Манфреда Р. Шредера . Springer. п. 388. ISBN. 9783319056609.
- ^ Грей, Роберт М. (2010). «История цифровой речи в реальном времени в пакетных сетях: Часть II линейного прогнозирующего кодирования и Интернет-протокола» (PDF) . Нашел. Тенденции сигнального процесса . 3 (4): 203–303. DOI : 10.1561 / 2000000036 . ISSN 1932-8346 .
- ^ Ахмед, Насир (январь 1991 г.). «Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию» . Цифровая обработка сигналов . 1 (1): 4–5. DOI : 10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z .
- ^ Насир Ахмед; Т. Натараджан; Камисетти Рамамохан Рао (январь 1974 г.). «Дискретное косинусное преобразование» (PDF) . Транзакции IEEE на компьютерах . С-23 (1): 90–93. DOI : 10.1109 / TC.1974.223784 .
- ^ JP Princen, AW Johnson и AB Bradley: Кодирование поддиапазонов / преобразований с использованием схем банка фильтров, основанных на отмене наложения спектров во временной области , IEEE Proc. Intl. Конференция по акустике, речи и обработке сигналов (ICASSP), 2161–2164, 1987.
- ^ а б Ло, Фа-Лонг (2008). Стандарты мобильного мультимедийного вещания: технологии и практика . Springer Science & Business Media . п. 590. ISBN 9780387782638.
- ^ Гукерт, Джон (весна 2012 г.). «Использование БПФ и MDCT в сжатии аудио MP3» (PDF) . Университет Юты . Проверено 14 июля 2019 .
- ^ а б в г Хорошо, Томас (2008). Барри Р. Эшпол (ред.). «Рассвет коммерческой цифровой записи» (PDF) . Журнал ARSC . Проверено 2 мая 2010 .
- ^ а б в г Оллстот, Дэвид Дж. (2016). «Коммутируемые конденсаторные фильтры» (PDF) . В Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони С. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологичных, мобильных, повсеместных сетей до вычислений больших данных . IEEE Circuits and Systems Society . С. 105–110. ISBN 9788793609860.
- ^ а б в Флойд, Майкл Д .; Хиллман, Гарт Д. (8 октября 2018 г.) [1-й паб. 2000]. «Кодек-фильтры с импульсной модуляцией» . Справочник по коммуникациям (2-е изд.). CRC Press . С. 26–1, 26–2, 26–3.
дальнейшее чтение
- Борвик, Джон, изд., 1994: Практика звукозаписи (Оксфорд: Oxford University Press)
- Бози, Марина, и Голдберг, Ричард Э., 2003: Введение в цифровое аудиокодирование и стандарты (Springer)
- Ифичор, Эммануэль К., и Джервис, Барри В., 2002: Цифровая обработка сигналов: практический подход (Харлоу, Англия: Pearson Education Limited)
- Рабинер, Лоуренс Р. и Голд, Бернард, 1975: Теория и применение цифровой обработки сигналов (Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc.)
- Уоткинсон, Джон, 1994: Искусство цифрового аудио (Оксфорд: Focal Press)
Внешние ссылки
- Монти Монтгомери (2012-10-24). «Мнение гостей: почему 24/192 загрузки музыки не имеют смысла» . evolver.fm . Проверено 7 декабря 2012 .
- Дж. Роберт Стюарт. «Кодирование высококачественного цифрового звука» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 июня 2007 года . Проверено 7 декабря 2012 .
- Дэн Лэври. "Теория семплирования для цифрового звука" (PDF) . Проверено 7 декабря 2012 .