Сандық аудио технологиясы және дауысты жазу өнері

Кіріспе

Дыбысты жаздырып, сақтау және қайта өндіру технологиясы. Дыбысты жазуға қолданылатын технология.

Цифрлық аудио – дыбыстың цифрлық формада жазылған немесе түрлендірілген түрі. Цифрлық аудиода аудиосигналдың дыбыс толқыны әдетте үздіксіз тізбектелген сандық үлгілер түрінде кодталады. Мысалы, CD аудиосында секундына 44,100 рет үлгі алынады, әрқайсысы 16 биттік тереңдікте. Цифрлық аудио – бұл дыбысты жазу және қайта өндірудің толық технологиясы, онда дыбыс сигналдары цифрлық түрде кодталған. 1970 және 1980 жылдардағы цифрлық аудио технологиясындағы маңызды жетістіктерден кейін, ол 1990 және 2000 жылдары аудиоинженерия, жазба өндірісі және телекоммуникацияның көптеген салаларында аналогтық аудио технологиясын бірте-бірте ығыстырды. Цифрлық аудио жүйесінде дыбысты бейнелейтін аналогтық электр сигналы, аналогты-цифрлық түрлендіргіш (ADC) арқылы импульстік кодты модуляцияны (PCM) қолдана отырып, цифрлық сигналға түрлендіріледі. Бұл цифрлық сигналды компьютерлер, дыбыс ойнату құралдары және басқа да цифрлық құралдарды пайдалана отырып жазуға, өңдеуге, өзгертуге және көшіруге болады. Ойнату үшін цифрлық-аналогтық түрлендіргіш (DAC) кері процесті орындайды, цифрлық сигналды қайтадан аналогтық сигналға түрлендіреді, содан кейін ол дыбыс күшейткіші арқылы және соңында динамикке жіберіледі. Цифрлық аудио жүйелеріне қысымдау, сақтау, өңдеу және тарату компоненттері кіруі мүмкін. Цифрлық форматқа түрлендіру аудиосигналды ыңғайлы өңдеуге, сақтауға, таратуға және алуға мүмкіндік береді. Аналогтық аудиодан айырмашылығы, онда жазбаның көшірмелерін жасау сигнал сапасының жоғалуына және нашаруына әкеледі, цифрлық аудио сигнал сапасын нашарлатпастан шексіз көшірмелер жасауға мүмкіндік береді.

Шолу

Саналық аудио технологиялар дыбысты жазу, өңдеу, жаппай өндіру және таратуда қолданылады, оның ішінде әндер, аспаптық туындылар, подкасттар, дыбыс эффектілері және басқа да дыбыстар. Қазіргі заманғы онлайн музыка тарату цифрлық жазу мен деректерді сығуға байланысты. Музыканың физикалық нысандар емес, дерек файлдары түрінде қолжетімді болуы тарату шығындарын едәуір төмендетті және көшірмелерді бөлісуді жеңілдетті. Цифрлық аудио пайда болғанға дейін музыка индустриясы музыканы дискілер мен кассеталар түріндегі физикалық көшірмелерді сату арқылы таратты және сатты. iTunes сияқты цифрлық аудио және онлайн тарату жүйелері арқылы компаниялар тұтынушыларға цифрлық дыбыс файлдарын сатады, оларды тұтынушылар интернет арқылы алады. Apple Music, Spotify немесе YouTube сияқты танымал ағын қызметтері цифрлық файлға уақытша қол жеткізуді ұсынады және қазір музыканы тұтынудың ең көп таралған түрі болып табылады. Аналогты аудио жүйесі дыбыстың физикалық толқындарын микрофон сияқты түрлендіргішті пайдалану арқылы осы толқындардың электрлік бейнелеулеріне айналдырады. Дыбыстар магниттік таспа сияқты аналогты ортада сақталады немесе телефон желісі немесе радио сияқты аналогты орта арқылы беріледі. Қайта өндіру үшін процесс кері қайтарылады: электрлік аудио сигналы күшейтіледі, содан кейін динамик арқылы физикалық толқындарға қайта айналады. Аналогты аудио өзінің негізгі толқын тәрізді сипаттамаларын сақтау, түрлендіру, көшіру және күшейту кезінде сақтайды. Аналогты аудиосигналдар электрондық схемалар мен олармен байланысты құрылғылардың ішкі сипаттамаларына байланысты шу мен бұрмалауға ұшырайды. Цифрлық жүйедегі бұзылулар, егер олар символдың басқа символ ретінде қате түсіндірілуіне немесе символдар тізбегін бұзуға жеткілікті үлкен болса ғана қатеге әкеледі. Сондықтан, әдетте, цифрлық аудио жүйесі толыққанды қатесіз болуы мүмкін, онда цифрлық форматқа түрлендіру мен аналогқа кері түрлендіру арасында ешқандай шу немесе бұрмалау енгізілмейді. Цифрлық аудио сигналы сигналдың сақталуы немесе берілуі кезінде туындауы мүмкін кез келген қателерді түзету үшін кодталуы мүмкін. Бұл техника арналық кодтау деп аталады және бұрыннан жазылған немесе таратылатын цифрлық жүйелер үшін биттік дәлдікті сақтау үшін маңызды. Сегізден он төртке дейінгі модуляция аудио компакт-дискісінде (CD) қолданылатын арналық код болып табылады.

Digital audio technologies are used in the recording, manipulation, mass production, and distribution of sound, including recordings of songs, instrumental pieces, podcasts, sound effects, and other sounds. Modern online music distribution depends on digital recording and data compression. The availability of music as data files, rather than as physical objects, has significantly reduced the costs of distribution as well as made it easier to share copies. Before digital audio, the music industry distributed and sold music by selling physical copies in the form of records and cassette tapes. With digital audio and online distribution systems such as iTunes, companies sell digital sound files to consumers, which the consumer receives over the Internet. Popular streaming services such as Apple Music, Spotify, or Youtube, offer temporary access to the digital file, and are now the most common form of music consumption. An analog audio system converts physical waveforms of sound into electrical representations of those waveforms by use of a transducer, such as a microphone. The sounds are then stored on an analog medium such as magnetic tape, or transmitted through an analog medium such as a telephone line or radio. The process is reversed for reproduction: the electrical audio signal is amplified and then converted back into physical waveforms via a loudspeaker. Analog audio retains its fundamental wave like characteristics throughout its storage, transformation, duplication, and amplification. Analog audio signals are susceptible to noise and distortion, due to the innate characteristics of electronic circuits and associated devices. Disturbances in a digital system do not result in error unless they are so large as to result in a symbol being misinterpreted as another symbol or disturb the sequence of symbols. It is therefore, generally possible to have an entirely error free digital audio system in which no noise or distortion is introduced between conversion to digital format and conversion back to analog. A digital audio signal may be encoded for correction of any errors that might occur in the storage or transmission of the signal. This technique, known as channel coding, is essential for broadcast or recorded digital systems to maintain bit accuracy. Eight to fourteen modulation is the channel code used for the audio compact disc (CD).

Қайта құру процесі

Егер аудиосигнал аналогты болса, сандық аудио жүйе аналогты сигналды сандық сигналға түрлендіретін АЦО (ADC) арқылы басталады. АЦО белгіленген дискретизация жылдамдығымен жұмыс істейді және белгілі биттік ажыратымдылықпен түрлендіреді. Мысалы, CD аудиосы 44,1 кГц (секундына 44 100 дискрет) дискретизация жылдамдығына ие және әр стерео арна үшін 16 биттік ажыратымдылыққа ие. Егер сигналдың жолағы шектелмеген болса, Найквист жиілігінен (дискретизация жылдамдығының жартысы) жоғары жиілікті аудиосигналдардың тудыратын алиасинг бұрмалануын болдырмау үшін түрлендіруден бұрын антиалиасингтік сүзгіден өткізілуі керек. Сандық аудиосигнал сақталуы немесе берілуі мүмкін. Сандық аудио CD-ге, сандық аудио ойнатқышқа, қатты дискіге, USB флэш-дискіге немесе кез келген басқа сандық деректерді сақтау құрылғысына сақталуы мүмкін. Сандық сигналды сандық сигналды өңдеу арқылы өзгертуге болады, онда оған сүзгі қойылуы немесе әсер етуі мүмкін. Дискретизация жылдамдығын түрлендіру, соның ішінде үлкейту және кішірейту, өңдеуден бұрын әртүрлі дискретизация жылдамдықтарымен кодталған сигналдарды ортақ дискретизация жылдамдығына ауыстыру үшін қолданылуы мүмкін. MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis немесе FLAC сияқты аудио деректерін сығу әдістері файлдың көлемін азайту үшін жиі қолданылады. Сандық аудио AES3 немесе MADI сияқты сандық аудио интерфейстер арқылы берілуі мүмкін. Сандық аудионы Ethernet, IP немесе басқа да ағынды медиа стандарттары мен жүйелерін пайдаланып, аудио арқылы желі арқылы жеткізуге болады. Ойнату үшін сандық аудионы DAC арқылы аналогтық сигналға қайта түрлендіру қажет. Найквист-Шеннон дискретизация теоремасына сәйкес, кейбір практикалық және теориялық шектеулермен, бастапқы аналогтық сигналдың жолақты шектеулі нұсқасын сандық сигналдан дәл қалпына келтіруге болады. Түрлендіру кезінде аудио деректері пираттық пен рұқсатсыз пайдалануды болдырмау үшін цифрлық су таңбасымен енгізілуі мүмкін. Су таңбасы тікелей тізбекті тарату спектрі (DSSS) әдісі арқылы жасалады. Аудио ақпарат псевдошу (PN) тізбегімен модуляцияланады, содан кейін жиілік доменінде қалыптастырылады және бастапқы сигналға қайтарылады. Енгізілген су таңбасының күші аудио деректегі су таңбасының күшін анықтайды.

If an audio signal is analog, a digital audio system starts with an ADC that converts an analog signal to a digital signal. The ADC runs at a specified sampling rate and converts at a known bit resolution. CD audio, for example, has a sampling rate of 44.1 kHz (44,100 samples per second), and has 16 bit resolution for each stereo channel. Analog signals that have not already been bandlimited must be passed through an anti aliasing filter before conversion, to prevent the aliasing distortion that is caused by audio signals with frequencies higher than the Nyquist frequency (half the sampling rate). A digital audio signal may be stored or transmitted. Digital audio can be stored on a CD, a digital audio player, a hard drive, a USB flash drive, or any other digital data storage device. The digital signal may be altered through digital signal processing, where it may be filtered or have effects applied. Sample rate conversion including upsampling and downsampling may be used to change signals that have been encoded with a different sampling rate to a common sampling rate prior to processing. Audio data compression techniques, such as MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis, or FLAC, are commonly employed to reduce the file size. Digital audio can be carried over digital audio interfaces such as AES3 or MADI. Digital audio can be carried over a network using audio over Ethernet, audio over IP or other streaming media standards and systems. For playback, digital audio must be converted back to an analog signal with a DAC. According to the Nyquist–Shannon sampling theorem, with some practical and theoretical restrictions, a band limited version of the original analog signal can be accurately reconstructed from the digital signal. During conversion, audio data can be embedded with a digital watermark to prevent piracy and unauthorized use. Watermarking is done using a direct sequence spread spectrum (DSSS) method. The audio information is then modulated by a pseudo noise (PN) sequence, then shaped within the frequency domain and put back in the original signal. The strength of the embedding determines the strength of the watermark on the audio data.

Кодтау

Импульстік кодты модуляциялау (PCM) 1937 жылы британдық ғалым Алек Ривз ойлап тапты. 1950 жылы Bell Labs компаниясының C. Chapin Cutler деректерді сығу алгоритміне дифференциалдық импульстік код модуляциясы (DPCM) бойынша патент алды. Адаптивтік DPCM (ADPCM) 1973 жылы Bell Labs-те П. Каммиски, Никил С. Джаянт және Джеймс Л. Фланаган тарапынан ұсынылды. Перцепциялық кодтау алғаш рет сызықтық болжамды кодтау (LPC) арқылы сөйлеуді кодтауды сығу үшін қолданылды. LPC-нің бастапқы идеялары 1966 жылы Fumitada Itakura (Нагоя университеті) және Shuzo Saito (Nippon Telegraph and Telephone) жүргізген жұмыстарға қатысты. 1970 жылдары Bell Labs-те Бишну С. Атал және Манфред Р. Шредер адам құлағының маскалау қасиеттерін пайдаланатын перцепциялық кодтау алгоритмі – адаптивтік болжамды кодтау (APC) деп аталатын LPC түрін жасады, одан кейін 1980 жылдардың басында кодты қозғайтын сызықтық болжау (CELP) алгоритмі пайда болды. Бұл модификацияланған дискретті косинус түрлендіруінің (MDCT) негізін қалады, оны 1987 жылы J. P. Princen, A. W. Johnson және A. Б. Брэдли жасады. MDCT – Dolby Digital (AC 3), MP3 (MPEG Layer III) сияқты көптеген аудио кодтау стандарттарының негізі болып табылады. АҚШ-тағы алғашқы 16 биттік PCM жазбасын Томас Стокхэм 1976 жылы Санта-Фе операсында Soundstream жазғышында жасады. 1978 жылы Telarc бірнеше классикалық жазбаларды шығару үшін Soundstream жүйесінің жетілдірілген нұсқасын пайдаланды. Сол кезде әзірленіп жатқан 3M сандық көпжолды жазғышы BBC технологиясына негізделген. Бұл машинада жазылған алғашқы толыққанды цифрлық альбом – Рай Кудердің 1979 жылы шыққан Bop till You Drop альбомы. Британдық Decca лейблі 1978 жылы өзінің 2 тректік цифрлық аудио жазғыштарын әзірлеуді бастады және 1979 жылы алғашқы еуропалық цифрлық жазбаны шығарды. Цифрлық аудио жұмыс станциялары үлкен жобалар үшін көпжолды жазуды және дыбыстарды араластыруды аналогтық жабдықпен қиын болатын жағдайларда оңайлатуға мүмкіндік береді.

Телефония

PCM цифрлік телефониясының қарқынды дамуы мен кеңінен қолданылуы 1970 жылдардың басында жасалған металл-оксидті-жартылай өткізгіш (MOS) коммутацияланған конденсаторлық (SC) тізбек технологиясының арқасында мүмкін болды. Бұл 1970 жылдардың соңында PCM кодек сүзгі микросхемаларын жасауға алып келді. 1980 жылы Дэвид А. Ходжес және В.С. Блэк жасаған кремнийлі қақпалы CMOS (толықтырылған MOS) PCM кодек сүзгіші чипі, содан бері цифрлік телефонияның индустриялық стандарты болып табылады. 1990 жылдары телекоммуникациялық желілер, мысалы, қоғамдық коммутацияланған телефон желісі (PSTN) негізінен VLSI (өте үлкен интеграция дәрежесі) CMOS PCM кодек сүзгілерімен цифрлық жүйеге көшірілді, олар телефон станцияларындағы электрондық коммутациялық жүйелерде, пайдаланушылардың соңғы модемдерінде және интеграцияланған қызметтердің цифрлық желісі (ISDN), сымсыз телефондар және ұялы телефондар сияқты цифрлық тарату салаларында кеңінен қолданылды.

Технологиялар

Аудио таратуда цифрлық аудио қолданылады. Стандартты технологияларға цифрлық аудио хабар тарату (DAB), цифрлық радио Мондиаль (DRM), HD радио және канал ішіндегі жолақты (IBOC) жатады. Жазу қолданбаларындағы цифрлық аудио CD, Digital Audio Tape (DAT), Digital Compact Cassette (DCC) және MiniDisc сияқты аудиоға арналған технологияларда сақталады. Цифрлық аудио стандартты аудио файл форматтарында сақталып, қатты дискіге, Blu-ray немесе DVD Audio-ға жазуға болады. Файлдарды смартфондарда, компьютерлерде немесе MP3 ойнатқыштарда ойнатуға болады. Цифрлық аудионың сапасы үлгі тереңдігімен өлшенеді. Көптеген цифрлық аудио форматтары 16 бит, 24 бит және 32 бит үлгі тереңдігін қолданады.