Цифровая запись и воспроизведение звука.

Введение

Технология записи, хранения и воспроизведения звука. Технология, используемая для записи звука.

Цифровое аудио – это представление звука, записанного или преобразованного в цифровую форму. В цифровом аудио звуковая волна аудиосигнала обычно кодируется в виде числовых отсчетов в непрерывной последовательности. Например, в CD-аудио отсчеты производятся 44 100 раз в секунду, каждый с разрядностью 16 бит. Цифровое аудио также является названием для всей технологии звукозаписи и воспроизведения с использованием аудиосигналов, закодированных в цифровую форму. После значительных достижений в области цифровой аудиотехники в 1970-х и 1980-х годах она постепенно заменила аналоговую аудиотехнику во многих областях звукоинженерии, производства звукозаписей и телекоммуникаций в 1990-х и 2000-х годах. В цифровой аудиосистеме аналоговый электрический сигнал, представляющий звук, преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой сигнал, как правило, с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Затем этот цифровой сигнал можно записывать, редактировать, изменять и копировать с помощью компьютеров, устройств воспроизведения аудио и других цифровых инструментов. Для воспроизведения цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратный процесс, преобразуя цифровой сигнал обратно в аналоговый, который затем передается через усилитель мощности и, в конечном итоге, на громкоговоритель. Цифровые аудиосистемы могут включать в себя компоненты сжатия, хранения, обработки и передачи. Преобразование в цифровой формат обеспечивает удобную обработку, хранение, передачу и извлечение аудиосигнала. В отличие от аналогового аудио, где копирование записи приводит к потерям и ухудшению качества сигнала, цифровое аудио позволяет создавать бесконечное количество копий без какого-либо ухудшения качества.

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 носителей, значительно снизила затраты на распространение и упростила обмен копиями. До появления цифрового аудио музыкальная индустрия распространяла и продавала музыку, продавая физические копии в виде пластинок и кассет. С помощью цифрового аудио и онлайн-систем распространения, таких как iTunes, компании продают потребителям цифровые звуковые файлы, которые потребители получают через Интернет. Популярные стриминговые сервисы, такие как Apple Music, Spotify или Youtube, предлагают временный доступ к цифровым файлам и в настоящее время являются наиболее распространенной формой потребления музыки. Аналоговая аудиосистема преобразует физические звуковые волны в электрические представления этих волн с помощью преобразователя, например, микрофона. Затем звуки хранятся на аналоговом носителе, таком как магнитная лента, или передаются по аналоговому каналу, например, телефонной линии или радио. Для воспроизведения процесс обратный: электрический аудиосигнал усиливается и затем преобразуется обратно в физические звуковые волны через громкоговоритель. Аналоговый звук сохраняет свои фундаментальные волнообразные характеристики на протяжении всего процесса хранения, преобразования, копирования и усиления. Аналоговые аудиосигналы подвержены шумам и искажениям из-за особенностей электронных схем и связанных с ними устройств. Возмущения в цифровой системе не приводят к ошибкам, если они недостаточно велики, чтобы вызвать неправильную интерпретацию символа или нарушить последовательность символов. Поэтому, как правило, возможно создать полностью безошибочную цифровую аудиосистему, в которой не возникает шумов или искажений между преобразованием в цифровой формат и обратно в аналоговый. Цифровой аудиосигнал может быть закодирован для исправления возможных ошибок при хранении или передаче сигнала. Этот метод, известный как кодирование канала, необходим для вещательных или записывающих цифровых систем для поддержания битовой точности. Модуляция от восьми до четырнадцати – это код канала, используемый для аудио компакт-диска (CD).

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).

Процесс преобразования

Если аудиосигнал аналоговый, то цифровая аудиосистема начинается с АЦП, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. АЦП работает с заданной частотой дискретизации и преобразует с известным битовым разрешением. Например, CD-аудио имеет частоту дискретизации 44,1 кГц (44 100 отсчетов в секунду) и 16-битное разрешение для каждого стереоканала. Аналоговые сигналы, которые еще не были ограничены по полосе, должны проходить через антиалиасинговый фильтр перед преобразованием, чтобы предотвратить искажения наложения, вызванные звуковыми сигналами с частотами выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации). Цифровой аудиосигнал может быть сохранен или передан. Цифровое аудио может быть сохранено на CD, цифровом аудиоплеере, жестком диске, USB-накопителе или любом другом цифровом устройстве хранения данных. Цифровой сигнал может быть изменен с помощью цифровой обработки сигнала, где он может быть отфильтрован или к нему могут быть применены эффекты. Преобразование частоты дискретизации, включая повышение и понижение частоты дискретизации, может использоваться для изменения сигналов, закодированных с другой частотой дискретизации, до общей частоты дискретизации перед обработкой. Для уменьшения размера файла обычно используются методы сжатия аудиоданных, такие как MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis или FLAC. Цифровое аудио 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 других стандартов и систем потоковой передачи мультимедиа. Для воспроизведения цифровое аудио должно быть преобразовано обратно в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Согласно теореме Котельникова-Найквиста, при определенных практических и теоретических ограничениях, версия исходного аналогового сигнала, ограниченная по полосе, может быть точно восстановлена из цифрового сигнала. Во время преобразования в аудиоданные может быть внедрен цифровой водяной знак для предотвращения пиратства и несанкционированного использования. Водяной знак устанавливается методом прямой последовательности расширенного спектра (DSSS). Затем аудиоинформация модулируется псевдослучайной последовательностью (PN), затем формируется в частотной области и возвращается в исходный сигнал. Интенсивность внедрения определяет силу водяного знака в аудиоданных.

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.

Кодирование

Импульсно-кодовая модуляция (PCM) была изобретена британским ученым Алеком Ривзом в 1937 году. В 1950 году Ч. Чапин Катлер из Bell Labs подал патент на дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (DPCM), алгоритм сжатия данных. Адаптивная DPCM (ADPCM) была представлена П. Каммиски, Никилом С. Джаянтом и Джеймсом Л. Фланаганом в Bell Labs в 1973 году. Перцептивное кодирование впервые было использовано для сжатия речевого кодирования с применением линейного предсказывающего кодирования (LPC). Первоначальные концепции LPC восходят к работам Фумитады Итакуры (Университет Нагои) и Шузо Сайто (Nippon Telegraph and Telephone) в 1966 году. В 1970-х годах Бишну С. Атал и Манфред Р. Шредер в Bell Labs разработали форму LPC, названную адаптивным предсказывающим кодированием (APC), алгоритм перцептивного кодирования, который использовал маскирующие свойства человеческого уха, а в начале 1980-х годов последовал алгоритм кодовозбужденного линейного предсказания (CELP). Он послужил основой для модифицированной дискретной косинусной трансформации (MDCT), разработанной J. P. Princen, A. W. Johnson и A. Б. Брэдли в 1987 году. MDCT является основой для большинства стандартов аудиокодирования, таких как Dolby Digital (AC 3), MP3 (MPEG Layer III).

Первая 16-битная PCM-запись в Соединенных Штатах была сделана Томасом Стокхэмом в опере Санта-Фе в 1976 году на рекордере Soundstream. Улучшенная версия системы Soundstream была использована для создания нескольких классических записей Telarc в 1978 году. Цифровой многодорожечный рекордер 3M, находившийся в разработке в то время, был основан на технологии BBC. Первым полностью цифровым альбомом, записанным на этой машине, стал Bop till You Drop Рая Кудера в 1979 году. Британский лейбл Decca начал разработку собственных двухдорожечных цифровых аудиорекордеров в 1978 году и выпустил первую европейскую цифровую запись в 1979 году. Цифровые аудиорабочие станции значительно упрощают многодорожечную запись и микширование для крупных проектов, которые в противном случае были бы сложны с использованием аналогового оборудования.

Телефония

Быстрое развитие и широкое распространение цифровой телефонии с импульсно-кодовой модуляцией (PCM) стало возможным благодаря технологии интегральных схем на МОП-транзисторах (MOS) с переключаемыми конденсаторами (SC), разработанной в начале 1970-х годов. Это привело к созданию чипов фильтров кодеков PCM в конце 1970-х годов. Чип фильтра кодека PCM на основе КМОП (комплементарной МОП) технологии с кремниевым затвором, разработанный Дэвидом А. Ходжесом и В. К. Блэком в 1980 году, с тех пор является отраслевым стандартом для цифровой телефонии. К 1990-м годам телекоммуникационные сети, такие как общедоступная телефонная сеть (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с использованием КМОП PCM кодеков-фильтров на СБИС (сверхбольшой интеграции), широко применяемых в электронных коммутационных системах для телефонных станций, модемов на стороне пользователя и в различных приложениях цифровой передачи данных, таких как сеть цифровых каналов с интеграцией различных услуг (ISDN), беспроводные телефоны и мобильные телефоны.

Технологии

Цифровое аудио используется в вещании звука. Стандартные технологии включают цифровое аудиовещание (DAB), Digital Radio Mondiale (DRM), HD Radio и In band on channel (IBOC). Цифровое аудио в приложениях записи хранится на специализированных аудионосителях, таких как CD, Digital Audio Tape (DAT), Digital Compact Cassette (DCC) и MiniDisc. Цифровое аудио может также храниться в стандартных аудиофайлах на жестких дисках, Blu-ray или DVD Audio. Файлы можно воспроизводить на смартфонах, компьютерах или MP3-плеерах. Разрешение цифрового аудио измеряется в битовой глубине. Большинство цифровых аудиоформатов используют битовую глубину 16, 24 или 32 бита.