Кіріспе
Цифрлік жазуда дыбыс немесе бейне сигналы, дыбыс үшін ауа қысымының уақыт өте келе өзгеруін, ал бейне үшін түс және жарық мәндерін көрсететін дискретті сандар ағынына түрлендіріледі. Бұл сандар ағыны сақтау құрылғысына сақталады. Цифрлік жазбаны ойнату үшін сандар алынып, олар тыңдау немесе көру үшін бастапқы аналогтық дыбыс немесе бейне түріне қайта түрлендіріледі. Дұрыс таңдалған аналог-цифрлік (ADC) және цифрлық-аналогтық (DAC) түрлендіргіштер жұбында, аналогтық сигнал, Найквист-Шеннон үлгілеу теоремасының шектеулерінде, дыбыс немесе бейне биттерінің тереңдігіне байланысты үлгілеу жиілігі мен кванттау қателігін ескере отырып, дәл қалпына келтіріледі. Сигнал цифрлық түрде сақталғандықтан, егер қателерді анықтау және түзету жүйесі дұрыс жұмыс істесе, жазба көшіру, сақтау немесе сыртқы әсерлерден зардап көрмейді.
In digital recording, an audio or video signal is converted into a stream of discrete numbers representing the changes over time in air pressure for audio, or chroma and luminance values for video. This number stream is saved to a storage device. To play back a digital recording, the numbers are retrieved and converted back into their original analog audio or video forms so that they can be heard or seen. In a properly matched analog to digital converter (ADC) and digital to analog converter (DAC) pair, the analog signal is accurately reconstructed, within the constraints of the Nyquist–Shannon sampling theorem, which dictates the sampling rate and quantization error dependent on the audio or video bit depth. Because the signal is stored digitally, assuming proper error detection and correction, the recording is not degraded by copying, storage or interference.
Уақыт шкаласы
1938 жылдың 3 қазаны: Британдық телефон инженері Алек Харли Ривз француз патент бюросына бүгін импульстік код модуляциясы (PCM) деп аталатын техниканы сипаттайтын алғашқы патентті тапсырды. 1939 жылдың 22 қарашасында Ривз АҚШ-та да тіркеді. Бұл технология алғаш рет телефон байланысы үшін ұсынылған. 1943 жылы: Bell Telephone Laboratories екінші дүниежүзілік соғыс кезінде әскери телефондық байланыстың неміс тарапынан ұсталып қалуына жауап ретінде SIGSALY атты алғашқы PCM негізіндегі цифрлық шифрланған сөйлеуді беру жүйесін әзірледі. Соғыстан кейін он екі тарату пункті тоқтатылды. 1950 жылдың маусымы: C. Chapin Cutler Bell Labs-те дифференциалдық импульстік код модуляциясын (DPCM) әзірледі. 1957 жылы: Bell Labs-тің Макс Мэтьюс өзінің әріптесі Ньюман Гаттман жазған "Күміс шкала" атты 17 секундтық музыкалық шығарманы жазды. 1967 жылы: Жапониядағы NHK ғылыми-зерттеу орталығында алғашқы коммерциялық PCM кодтаушысы (монофониялық) жасалды. Ол MOS конденсаторлық технология негізінде құрылған. 1970 жылы: Джеймс Расселл алғашқы цифрлық-оптикалық жазу және ойнату жүйесін патенттеді, ол кейіннен компакт-дискінің пайда болуына әкелді. 1971 жылдың қаңтары: NHK-ның тәжірибелік PCM жазу жүйесін пайдаланып, Denon инженері, доктор Такеаки Аназава әлемдегі алғашқы коммерциялық цифрлық жазбаларды жазды: Stomu Yamash'ta-ның "The World Of Stomu Yamash'ta 1 & 2" (11 қаңтар, 1971 ж.). 1973 жылы: P. Cummiskey, Nikil Jayant және James L. Flanagan Bell Labs-те адаптивті дифференциалдық импульстік код модуляциясын (ADPCM) әзірледі. 1974 жылдың 2-3 желтоқсаны: Paillard камералық оркестрі Жапониядан тыс, Париждің Нотр-Дам соборында Denon-ның жаңа екінші буын компакт DN 023RA жүйесін пайдаланып, алғашқы цифрлық жазбаны жасады. Бахтың "Музыкалық құрбандығы" (BWV 1079) 1975 жылдың мамырында LP форматында шықты. 1974 және 1977 жылдар аралығында Denon 250-ден астам PCM жазбасын жасады, олардың көп бөлігі Жапонияда жазылған. 1975 жылдың мамырында Юта университетінің профессоры Томас Стокхэм компьютерлік таспаларды сақтау жүйесі ретінде пайдаланып, өзінің жеке дизайны бойынша PCM цифрлық аудио жазғышын жасады. Ол Soundstream компаниясын құрып, оны коммерциялық түрде ұсынды. 1977 және 1980 жылдар аралығында барлығы он сегіз 4 каналды 50 кГц 16 биттік құрылғылар өндірілді, олардың әрқайсысы шамамен 150 000 АҚШ долларына сатылды (1975 жылғы 150 000 доллар қазіргі уақытта шамамен <есептелген сомаға> тең). Оның құралдарында 200-ден астам жазба жасалды, бұл Denon PCM-мен шамалас. 1976 жылы: Soundstream 37.5 кГц, 16 бит, 2 каналды жазғыштың (44.056 кГц, 14 бит) прототипі, алғашқы тұтынушылық PCM кодтаушысы жасалды. Ол үшін үйдегі видеотаспа жазғышын сақтау құралы ретінде пайдалану қажет болды. 1977 жылдың 4-7 қарашасы: 3M Нью-Йорктегі AES конвенциясында 1 дюймдік таспаға 45 айналымда жұмыс істейтін 2 каналды 50.4 кГц 16 биттік цифрлық жазғыштың прототипін көрсетті. 1978 жылдың ақпаны: Soundstream-нің алғашқы коммерциялық релизі, Diahann Carroll With the Duke Ellington Orchestra Under The Direction Of Mercer Ellington – Ethel Waters-қа арналған құрмет, жазылды. 1978 жылдың наурызы: Sony компаниясы кәсіби PCM 1600 жүйесін 40 000 АҚШ долларына (1978 жылғы 40 000 доллар қазіргі уақытта шамамен <есептелген сомаға> тең) сыртқы U-matic таспа дискімен бірге пайдаланып, алғаш рет жазу студияларына цифрлық жазбаны коммерциялық түрде ұсынды. PCM 1610 және PCM 1630 жүйелері де қолданылды. 1978 жылдың 4-5 сәуірінде Telarc Soundstream компаниясының PCM жүйесін Фредерик Феннелл мен оның Истман салғы ансамблінің Густав Холсттың әскери оркестрге арналған сюиталарын және Георг Фридрих Гендельдің Патшалық сауық-түсі үшін музыкасын орындауын жазды. LP форматында шыққан кезде бұл АҚШ-тағы алғашқы классикалық цифрлық релиз болды. 1978 жылдың 2 маусымы: Миннеаполистегі Sound 80 студиясы Сент-Пол камералық оркестрінің Аарон Коплендтің "Аппалачиялық көктем" әнін орындағанын жазды. Бұл сессия тікелей дискіге жазылған, 3M 50.4 кГц цифрлық жазғышының прототипі фондық орындауда болды. Кейбір келіспеушіліктер бар, бірақ нәтижесінде LP жазба (Sound80 Records S80 DLR 101) дискі ацетатына емес, цифрлық резервтік таспалардан алынған сияқты. 1984 жылы сессия ProArte компаниясымен компакт-дискіде қайта шығарылды. Бұл жазба үш Грэмми сыйлығына ұсынылып, "Үйдегі үздік музыка орындау" (1980) сыйлығын жеңіп алды, бұл Грэмми сыйлығын жеңіп алған алғашқы цифрлық жазба болды. 1978 жылдың маусым айының басында: Sound 80 Flim және BB-нің дебюттік өзіндік атаулы альбомын тағы бір тікелей дискіге жаздыру ретінде, 3M эксперименталды жазғышымен фонға түсірді. Ацетат цифрлық резервтік көшірме сияқты жақсы емес деп саналады, сондықтан LP жазба үшін цифрлық мастер қолданылды (Sound80 Records S80 DLR 102). Бұл оны алғашқы классикалық емес АҚШ-тың цифрлық шығарылымы етеді. 6 ай ішінде қолмен жасалған ("өте үлкен және қиын") 3M цифрлық жазғышы бөлшектелді, нәтижесінде стандартты емес мастер таспа ойнатылмайтын болды. Сондықтан, компакт-дискіде шығару мүмкін емес. Сент-Пол камералық оркестрінің жазбасы, осы машинаны қолданған, түсіндірілмейді. 1979 жылдың 8 наурызы: Philips компаниясы Нидерландыдағы Эйндховен қаласында алғашқы компакт-дискі ойнатқышының прототипін көрсетті. Прототиптік CD-лерде Витторио Негри мен Берлин камералық оркестрі орындаған Антонио Вивальдидің "Төрт маусым" және Иозеф Гайднның Квартет №31(?) ойнатылды. 1979 жылдың 11 шілдесі: Warner Bros. Records компаниясымен шығарылған гитарист Ри Кудердің "Bop Till You Drop" альбомы, әйел вокалы бар алғашқы АҚШ-тағы цифрлық жазылған LP болды. Альбом 3M корпорациясы жасаған 32 тректік цифрлық машинада Лос-Анджелесте жазылды. 1979 жылдың 27 тамызы: Джорджо Мородердің "E=MC²" альбомы шықты, бұл Soundstream PCM-де жазылған алғашқы электрондық тікелей цифрлық LP. 1979 жылдың 4 қыркүйегі: "Star Trek: The Motion Picture" саундтрекіне ұпай қою басталды, ол көп тректік аналогқа жазылды және LP шығарумен сәйкес келу үшін стерео цифрлық таспаға мастерленді. 1979 жылдың 12 қазаны: Fleetwood Mac-тің "Tusk" альбомы LP форматында шықты. Ол және 1980 жылдың 8 желтоқсанында шыққан "Live" альбомдары Soundstream PCM-де аналогтық көп тректік жазбалардан мастерленді. 1979 жылдың 1 желтоқсаны: Грэмми сыйлығын жеңіп алған Кристофер Кросс альбомы шықты. Кросс альбомы АҚШ-та цифрлық жазылған алғашқы альбом болып табылады (3M жүйесінде жазылған), соңынан 5 Грэмми сыйлығын жеңіп алды. Цифрлық жазу енді кең таралды. 1980 жылы: Compact Disc Digital Audio үшін "Қызыл кітап" стандарты (44.1 кГц, 16 бит) белгіленді. 1980 жылы: Mitsubishi Electric X 80 ProDigi ашық рулондағы 1/4" таспа 15 50.4 кГц 16 биттік цифрлық жазғышын ($5000, 1980 жылғы 5000 доллар қазіргі уақытта шамамен <есептелген сомаға> тең) ұсынды. Әлем бойынша барлығы 200 дана сатылды. 1980 жылы: Soundstream Digital Recording Corporation компаниясымен бірігіп, DRC/Soundstream болып, 50 кГц PCM жазуын оптикалық картаға дамыту және сату үшін құрылды. Бұл кейіннен 44.1 кГц Compact Disc-тің пайда болуымен жойылды және компания 1983 жылдан кейін жұмысын тоқтатты. 1981 жылы: Technics SV P100 цифрлық аудио жазғышын шығарды, ол кәсіби (цифрлық мастерлеу) және тұтынушылық (үйге пайдалану) жазуға жарамды. Ол VHS форматты кассеталық таспаға PCM 14 биттік жазуды пайдаланды, нәтижесінде 2 каналды стерео жазудың 3 сағатқа дейін бағдарламасын жасауға болды. 1982 жылы: Sony PCM 501ES PCM адаптерін (44.1 кГц, 16 бит) ($895 тізімдік бағасы) шығарды, ол сыртқы VHS немесе Betamax бейне жазғышымен қолданылады. 1982 жылдың 17 тамызы: Клаудио Арраудың 1979 жылғы наурызда жазылған аналогтық жазбасы, Фредерик Шопен вальсі (Philips 400 025), алғашқы классикалық компакт-дискі болып саналды. Ол Германияның Хановер облысындағы Лангенхагендегі Philips зауытында жасалған. Арраудың өзі өндірісті бастау үшін батырманы басуға шақырылды. Бұл CD 1983 жылға дейін шығарылмады, сондықтан өндірістік проблемалар болды (төмендегі ABBA шығарылымы сияқты). 1982 жылдың 17 тамызы: Алғашқы танымал компакт-дискі, ABBA-ның 1981 жылғы "The Visitors" альбомы ("көбінесе цифрлық жазылған") сол зауытта өндірілді. Алайда, өндірістік проблемаларға байланысты үшінші нұсқасы 1983 жылдың наурызына дейін дүкендерге жетпеді. 1982 жылдың 5 қыркүйегі: Питер Гэбриел өзінің "Four..." альбомын шығарды.
1973: Adaptive differential pulse code modulation (ADPCM) developed by P. Cummiskey, Nikil Jayant and James L. Flanagan at Bell Labs. December 2–3, 1974: The Paillard Chamber Orchestra records the first digital recording outside Japan, in Paris' Notre Dame Cathedral, using Denon's newly developed second generation compact DN 023RA. Bach's "The Musical Offering" (BWV 1079) is released on LP May 1975. Between 1974 and 1977 over 250 PCM recordings are made by Denon, the majority recorded in Japan. May 1975: University of Utah professor Thomas Stockham develops a PCM digital audio recorder of his own design, using computer tape drives as the storage system. He founds the company Soundstream to offer it commercially. Between 1977 and 1980 a total of eighteen 4 channel 50 kHz 16 bit units were manufactured, of which seven were sold at about US$150,000 (150000.0 in 1975 is equivalent to about <calculated amount> in recent years) each. Over 200 recordings were made on his equipment, almost as many as the Denon PCM. 1976: The prototype Soundstream 37.5 kHz, 16 bit, 2 channel recorder (44.056 kHz, 14 bit), the first consumer PCM encoder. It required the use of a home video tape recorder for storage. November 4–7, 1977: 3M demonstrates a prototype 2 channel 50.4 kHz 16 bit digital recorder running on 1 inch tape at 45 at the New York AES Convention. February 1978: Soundstream's first commercial release, Diahann Carroll With the Duke Ellington Orchestra Under The Direction Of Mercer Ellington – A Tribute To Ethel Waters, is recorded. March 1978: Sony introduces the professional grade PCM 1600 at a list price of US$40,000 (40000.0 in 1978 is equivalent to about <calculated amount> in recent years) used with an external U matic tape drive, making digital recording commercially available to recording studios for the first time. PCM 1610 and PCM 1630 follow. April 4–5, 1978: Telarc uses Soundstream's PCM system to record Frederick Fennell and his Eastman Wind Ensemble playing Gustav Holst's Suites for Military Band and George Frideric Handel's Music for the Royal Fireworks. When released on LP this became the first US recorded digital classical release. June 2, 1978: Sound 80 studios in Minneapolis records the Saint Paul Chamber Orchestra performing Aaron Copland's Appalachian Spring. This session is set up as a direct to disc recording, with the prototype 3M 50.4 kHz digital recorder running in the background. There is some disagreement, but it appears the resulting LP record (Sound80 Records S80 DLR 101) was taken from the digital backup tapes rather than the direct to disc acetate. In 1984 the session is re released on Compact Disc by ProArte. This recording was nominated for three Grammy Awards, winning "Best Chamber Music Performance" (1980), making it the first digital recording to win a Grammy. Early June 1978: Sound 80 records Flim and the BB's debut self titled album as another direct to disc recording again with the experimental 3M recorder in the background. Again the acetate is deemed not as good as the digital backup, so the digital master is used for the LP record (Sound80 Records S80 DLR 102). This makes it the first U. S. non classical digital release. Within 6 months the hand built ("very bulky and finicky") 3M digital recorder is disassembled, rendering the non standard master tape unplayable. Therefore, no Compact Disc release is possible. The compact disc release of the Saint Paul Chamber Orchestra, which used the same machine, is unexplained. March 8, 1979: The first prototype Compact Disc player is demonstrated by Philips in Eindhoven, Netherlands. Prototype CDs played on the unit were a pressing of Antonio Vivaldi's Le quattro stagioni played by Vittorio Negri and the Kammerorchester Berlin (Philips 9500 100, recorded analog 1976), and Joseph Haydn's String Quartet No. 31(?). July 11, 1979: The first U. S. recorded digitally recorded LP of popular music (with vocals), Bop Till You Drop by guitarist Ry Cooder, was released by Warner Bros. Records. The album was recorded in Los Angeles on a 32 track digital machine built by the 3M corporation. August 27, 1979: Giorgio Moroder's E=MC² is released, the first electronic live to digital LP recorded on Soundstream PCM. September 4, 1979: Scoring begins for Star Trek The Motion Picture soundtrack, recorded to multitrack analog, mastered to digital stereo tape for LP release to coincide with film debut December 6, 1979. October 12, 1979: Fleetwood Mac's Tusk is released on LP. It, and Live, December 8, 1980, were mastered on the Soundstream PCM from analog multi tracks. December 1, 1979: The Grammy Award winning self titled Christopher Cross album is released. Cross' album becomes the first digitally recorded album to chart (recorded on the 3M system) in the United States, eventually winning 5 Grammys. Digital recording is now mainstream. 1980: The Red Book standard (44.1 kHz, 16 bit) is established for Compact Disc Digital Audio. 1980: Mitsubishi Electric introduces the X 80 ProDigi open reel 1/4" tape 15 50.4 kHz 16 bit digital recorder ($5000 5000.0 in 1980 is equivalent to about <calculated amount> in recent years). Only 200 are sold worldwide. 1980: Soundstream merges with Digital Recording Corporation, becoming DRC/Soundstream, to develop and market 50 kHz PCM recording to an optical card. This is subsequently eclipsed by the rise of the 44.1 kHz Compact Disc and the company is out of business after 1983. 1981: Technics releases the SV P100 digital audio recorder suitable for both professional (digital mastering) and consumer (home use) recording. It used PCM 14 bit recording on a VHS format cassette tape, resulting in an up to 3 hours programme of 2 channel stereo recording. 1982: Sony releases the PCM 501ES PCM adaptor (44.1 kHz, 16 bit) ($895 list price) which is used with an external VHS or Betamax video recorder. August 17, 1982: Claudio Arrau's March 1979 analog recording of Frederic Chopin waltzes (Philips 400 025) becomes the first classical Compact Disc ever commercially manufactured. It is made by the Philips plant in Langenhagen, Hanover Region Germany. Arrau himself was invited to press the button to start the manufacture. This CD was not actually released until 1983 so it presumably ran into manufacturing problems like the ABBA release (below). August 17, 1982: The first popular Compact Disc ever manufactured, ABBA's 1981 album The Visitors (selected because it was "mostly digitally recorded") is produced at the same plant. However, due to production problems with it the third version didn't actually hit stores until March 1983. September 5, 1982: Peter Gabriel releases his fourth studio album (titled Security in North America and Peter Gabriel IV elsewhere). When released on CD in October 1984 it becomes the first full digital DDD release. It was recorded on Sony's Mobile One digital studio and mixed to a Sony PCM 1610. October 1, 1982: The first compact disc players are marketed by Sony (CDP 101, $900 900.0 in 1982 is equivalent to about <calculated amount> in recent years) and Philips (CD 100, $700 700.0 in 1982 is equivalent to about <calculated amount> in recent years). October 1, 1982: Billy Joel's analog recorded 52nd Street becomes the first CD to hit the market in Japan, beating out ABBA's The Visitors and Claudio Arrau's Chopin Waltzes. Forty nine other CDs are released in Japan on the same day including Toto's Turn Back, Pink Floyd's Wish You Were Here and Michael Jackson's Off the Wall. November 26–28, 1982: Flim & the BB's record their second studio album, Tricycle. Released in early 1983, it becomes the first non classical fully digital CD to be released. (Later given a SPARS code of DD). March 2, 1983: CD players and 16 CDs from CBS Records are introduced in the United States. September 1984: Bruce Springsteen's Born in the U. S. A. becomes the first US manufactured CD to be released. 12 November 1984: American singer Madonna's second studio album Like a Virgin is released. It became the first digitally recorded album that topped the Billboard 200 chart. 13 May 1985: English rock band Dire Straits' fifth studio album Brothers in Arms is released. It became the best selling digitally recorded album of the 80s, and the first album whose CDs' sales outsold LPs'. 1987: Sony develops Digital Audio Tape. 1989: Test broadcasts for NICAM stereo digital audio for broadcast TV began in the UK. 1990: Digital radio begins in Canada, using the L Band. 1991: Alesis Digital Audio Tape (ADAT) is a tape format used for simultaneously recording eight tracks of digital audio at once, onto Super VHS magnetic tape – a format similar to that used by consumer VCRs. The product was announced in January 1991 at the NAMM Show. The first ADAT recorders shipped over a year later in February or March 1992. 1993: Random Access Digital Audio Recorder (RADAR) is the first single box device used for simultaneously recording 24 tracks of digital audio at once, onto hard disk drives. The product, manufactured by Creation Technologies was announced in October 1993 at the AES convention in New York. The first RADAR recorders shipped in August 1994. 1996: Optical discs and DVD players begin selling in Japan. 1999: Ricky Martin's "Livin' la Vida Loca" becomes the first No. 1 single to be recorded, edited, and mixed fully within a digital audio workstation. Produced by Charles Dye and Desmond Child using Pro Tools.
Коммерциялық құралдарға жазу әдістері
Цифрлық кассеталар үшін таспа басы да, таспа да қозғалады, әдетте спиральді сканерлеу конфигурациясында, биттерді басқаруға ыңғайлы өлшемде ұстау үшін жеткілікті жылдамдық сақтау мақсатында. CD-R сияқты оптикалық дисктерге жазу технологияларында ортаның бояу қабатының оптикалық қасиеттерін өзгерту үшін лазер қолданылады. Осы үлгілерді оқу үшін одан әлсіз лазер пайдаланылады.
Сөздің өлшемі
Аудио сигналды көрсету үшін қолданылатын биттердің саны жазбадағы шу немесе бұрмалауға тікелей әсер етеді.
Үлгілеу мөлшері
Найквист-Шеннонның үлгілеу теоремасында айтылғандай, псевдо-аллиазингтің алдын алу үшін аудио сигналды сигналдың ең жоғары жиіліктік компонентінен кемінде екі есе жоғары жылдамдықпен үлгілеу қажет. Музыкалық сападағы аудио үшін 44,1 және 48 кГц үлгілеу жиіліктері ең көп қолданылады. Бас жазу жоғары үлгілеу жылдамдығымен (яғни, 88,2, 96, 176,4 немесе 192 кГц) жасалуы мүмкін. Жоғары ажыратымдылықтағы PCM жазбалары DVD Audio (DVD A деп те аталады), DualDisc (DVD Audio қабатын пайдалана отырып) немесе Blu-ray дискісінде High Fidelity Pure Audio форматында шығарылды. Сонымен қатар, жоғары ажыратымдылықтағы жазбаны қысылмаған WAV немесе жоғалмайтын қысылған FLAC файлы (әдетте 24 бит) түрінде төмендетпей шығаруға болады. Үлгілеу жылдамдығының жоғарылауы тұтыну өнімі үшін нақты пайда әкеле ме деген мәселе әлі де даулы. Егер жоғары ажыратымдылықтағы жазбадан компакт-диск (CD Red Book стандарты 44,1 кГц 16 бит) жасалатын болса, жазба 44,1 кГц-ке төмендетілуі керек. Бұл мастерлеу процесінің бір бөлігі болып табылады. 1980 жылдардан бастап, цифрлық түрде жазылған, араластырылған немесе мастерленген музыка көбінесе SPARS кодын пайдаланып, қай процестер аналогты, ал қайсысы цифрлық екенін көрсету үшін белгіленді. Цифрлық жазу кеңінен таралғандықтан, SPARS кодтары қазір сирек қолданылады.
Қателерді түзету
Цифрлық жазудың аналогтық жазуға қарағандағы бір артықшылығы – қателерге төзімділігі. Сигнал цифрлық форматқа ауысқаннан кейін, көшіру кезінде сигналдың сапасы төмендемейді. Аналогтық медиада байқалатын біртіндеп нашарлаудың орнына, цифрлық медиада сапа күрт нашарлауы мүмкін.