Введение

Аудио или видео, представленные в виде потока дискретных чисел.

В цифровой записи аудио- или видеосигнал преобразуется в поток дискретных чисел, представляющих изменения во времени давления воздуха для аудио или значений цветности и яркости для видео. Этот числовой поток сохраняется на носителе информации. Для воспроизведения цифровой записи числа извлекаются и преобразуются обратно в исходную аналоговую аудио- или видеоформу, чтобы их можно было услышать или увидеть. При использовании правильно подобранной пары аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразователей аналоговый сигнал точно восстанавливается, в пределах ограничений теоремы Котельникова — Шеннона, которая определяет частоту дискретизации и ошибку квантования, зависящую от битовой глубины аудио или видео. Поскольку сигнал хранится в цифровом виде, при условии корректного обнаружения и исправления ошибок, запись не ухудшается при копировании, хранении или воздействии помех.

Хронология

3 октября 1938 года: британский инженер-телефонист Алек Харли Ривз подает в французское патентное ведомство первый патент, описывающий технику, известную сегодня как импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). 22 ноября 1939 года Ривз подает заявку также в США. Изначально она была предложена как технология для телефонии. 1943: Bell Telephone Laboratories разрабатывает первую цифровую систему передачи речи на основе ИКМ, SIGSALY, в ответ на перехват немецкими войсками военных телефонных переговоров во время Второй мировой войны. Двенадцать передающих пунктов были выведены из эксплуатации после войны. Июнь 1950: Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) разработана C. Чапином Катлером в Bell Labs. 1957: Макс Мэтьюз из Bell Labs записал первую компьютерную музыку – 17-секундное произведение под названием «Серебряная гамма», написанное его коллегой Ньюманом Гаттманом. 1967: Первым коммерческим кодировщиком ИКМ (моно) стала разработка исследовательских подразделений NHK в Японии, основанная на технологии МОП-конденсаторов. 1970: Джеймс Рассел патентует первую систему цифровой записи и воспроизведения на оптических носителях, которая впоследствии привела к созданию компакт-диска. Январь 1971: Используя экспериментальную систему записи ИКМ NHK, доктор Такеаки Аназава, инженер компании Denon, записывает первые в мире коммерческие цифровые записи – альбомы The World Of Stomu Yamash'ta 1 & 2 исполнителя Stomu Yamash'ta (11 января 1971 года). 1973: Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) разработана P. Каммиски, Никилом Джаянт и Джеймсом Л. Фланаганом в Bell Labs. 2–3 декабря 1974: Пайлардский камерный оркестр записывает первую цифровую запись за пределами Японии, в соборе Парижской Богоматери, используя недавно разработанный компактный DN 023RA второго поколения от Denon. «Музыкальное приношение» Баха (BWV 1079) было выпущено на LP в мае 1975 года. В период с 1974 по 1977 год Denon осуществил более 250 записей в формате ИКМ, большинство из которых были сделаны в Японии. Май 1975: профессор Университета Юты Томас Стокхэм разрабатывает цифровой аудиомагнитофон ИКМ собственной конструкции, используя компьютерные накопители на магнитной ленте в качестве системы хранения. Он основал компанию Soundstream для коммерческого предложения устройства. В период с 1977 по 1980 год было произведено в общей сложности восемнадцать 4-канальных 50 кГц 16-битных устройств, семь из которых были проданы примерно по 150 000 долларов США (150 000 долларов США в 1975 году эквивалентны примерно <рассчитанной сумме> в последние годы) каждое. На его оборудовании было сделано более 200 записей, почти столько же, сколько на ИКМ от Denon. 1976: Создан прототип Soundstream 37,5 кГц, 16 бит, 2-канального рекордера (44,056 кГц, 14 бит) – первый потребительский кодировщик ИКМ. Для хранения требовалось использовать бытовой видеомагнитофон. 4–7 ноября 1977: 3M демонстрирует прототип 2-канального 50,4 кГц 16-битного цифрового рекордера, работающего на 1-дюймовой ленте со скоростью 45 об/мин на конференции AES в Нью-Йорке. Февраль 1978: Soundstream выпускает свой первый коммерческий релиз – Diahann Carroll With the Duke Ellington Orchestra Under The Direction Of Mercer Ellington – A Tribute To Ethel Waters. Март 1978: Sony представляет профессиональную модель PCM 1600 по цене 40 000 долларов США (40 000 долларов США в 1978 году эквивалентны примерно <рассчитанной сумме> в последние годы), используемую с внешним магнитофоном U-matic, что впервые делает цифровую запись коммерчески доступной для студий звукозаписи. За ней следуют PCM 1610 и PCM 1630. 4–5 апреля 1978: Telarc использует систему PCM от Soundstream для записи Фредерика Феннелла и его духового ансамбля Eastman, исполняющих сюиты Густава Холста для военного оркестра и музыку Георга Фридриха Генделя для королевского фейерверка. Когда она была выпущена на LP, это стала первая цифровая классическая запись, сделанная в США. 2 июня 1978: Sound 80 Studios в Миннеаполисе записывает камерный оркестр Святого Павла, исполняющий «Апалачскую весну» Аарона Копленда. Эта сессия была организована как запись прямо на диск, с прототипом цифрового рекордера 3M 50,4 кГц, работающим в фоновом режиме. Существуют разногласия, но, по-видимому, полученная пластинка (Sound80 Records S80 DLR 101) была взята с цифровых резервных копий, а не с ацетатного диска. В 1984 году сессия была переиздана на компакт-диске ProArte. Эта запись была номинирована на три премии «Грэмми», получив награду «Лучшее исполнение камерной музыки» (1980), что сделало ее первой цифровой записью, получившей «Грэмми». В начале июня 1978 года: Sound 80 записывает дебютный одноименный альбом Flim and the BB в качестве очередной записи прямо на диск с экспериментальным рекордером 3M на заднем плане. Опять же, ацетат был признан менее качественным, чем цифровая резервная копия, поэтому для LP-записи был использован цифровой мастер (Sound80 Records S80 DLR 102). Это делает ее первым цифровым релизом в США, не относящимся к классической музыке. В течение 6 месяцев собранный вручную («очень громоздкий и капризный») цифровой рекордер 3M был разобран, что сделало нестандартную магнитную ленту нечитаемой. Поэтому выпуск компакт-диска невозможен. Выпуск компакт-диска альбома камерного оркестра Святого Павла, который использовал ту же машину, остается необъяснимым. 8 марта 1979: Первый прототип проигрывателя компакт-дисков был продемонстрирован компанией Philips в Эйндховене, Нидерланды. На устройстве были воспроизведены тестовые компакт-диски с записью «Времена года» Антонио Вивальди в исполнении Витторио Негри и Берлинского камерного оркестра (Philips 9500 100, записано в аналоговом формате в 1976 году) и струнного квартета № 31 (?). 11 июля 1979: Был выпущен первый записанный в США цифровой LP популярной музыки (с вокалом) – Bop Till You Drop гитариста Рая Кудера от Warner Bros. Records. Альбом был записан в Лос-Анджелесе на 32-трековой цифровой машине, построенной корпорацией 3M. 27 августа 1979: Выпущен E=MC² Джорджо Мородера – первый электронный LP, записанный в цифровом формате в режиме реального времени на Soundstream PCM. 4 сентября 1979: Началась запись саундтрека к фильму «Звездный путь: Фильм», записанного на многодорожечную аналоговую пленку и смикшированного в цифровой стереоформат для выпуска на LP, совпадающего с премьерой фильма 6 декабря 1979 года. 12 октября 1979: Выпущен на LP альбом Fleetwood Mac – Tusk. Он, и Live, выпущенный 8 декабря 1980 года, были смикшированы на Soundstream PCM с аналоговых многодорожечных записей. 1 декабря 1979: Выпущен получивший премию «Грэмми» одноименный альбом Кристофера Кросса. Альбом Кросса стал первым цифровым альбомом, попавшим в чарты (записан на системе 3M), в Соединенных Штатах, в конечном итоге завоевав 5 премий «Грэмми». Цифровая запись стала мейнстримом. 1980: Установлен стандарт Red Book (44,1 кГц, 16 бит) для Compact Disc Digital Audio. 1980: Mitsubishi Electric представляет X 80 ProDigi – открытый магнитофон на 1/4-дюймовой ленте, 15-канальный, 50,4 кГц, 16 бит ($5000, 5000 долларов США в 1980 году эквивалентны примерно <рассчитанной сумме> в последние годы). Было продано всего 200 экземпляров по всему миру. 1980: Soundstream сливается с Digital Recording Corporation, образовав DRC/Soundstream, для разработки и маркетинга 50 кГц PCM-записи на оптическую карту. Впоследствии она была затмеваема ростом популярности 44,1 кГц Compact Disc, и компания прекратила свое существование после 1983 года. 1981: Technics выпускает цифровой аудиомагнитофон SV P100, подходящий как для профессиональной (цифрового мастеринга), так и для потребительской (домашнего использования) записи. Он использовал 14-битную PCM-запись на кассету VHS, обеспечивая до 3 часов программы стереозаписи. 1982: Sony выпускает PCM 501ES – PCM-адаптер (44,1 кГц, 16 бит) по цене 895 долларов США, который используется с внешним видеомагнитофоном VHS или Betamax. 17 августа 1982: Мартовская 1979 года аналоговая запись вальсов Фредерика Шопена в исполнении Клаудио Аррау (Philips 400 025) становится первым классическим компакт-диском, когда-либо выпущенным в коммерческую продажу. Он был произведен на заводе Philips в Лангенхагене, регион Ганновер, Германия. Сам Аррау был приглашен нажать кнопку, чтобы начать производство. Этот CD фактически не был выпущен до 1983 года, поэтому, вероятно, возникли производственные проблемы, как и у выпуска ABBA (ниже). 17 августа 1982: Первый популярный компакт-диск, когда-либо выпущенный в коммерческую продажу, – альбом ABBA 1981 года The Visitors (выбранный, потому что он был «в основном записан в цифровом формате»), был произведен на том же заводе. Однако из-за производственных проблем с ним третья версия не поступила в продажу до марта 1983 года. 5 сентября 1982: Питер Гэбриел выпускает свой альбом...

Методы записи на коммерческие носители

Для цифровых кассет головка и лента перемещаются одновременно, как правило, по спирали, чтобы поддерживать достаточную скорость и обеспечивать приемлемый размер битов. В технологиях записи на оптические диски, таких как CD-R, для изменения оптических свойств светочувствительного слоя носителя используется лазер. Для чтения этих данных используется лазер меньшей мощности.

Размер слова

Количество битов, используемых для представления аудиосигнала, напрямую влияет на уровень шума или искажений в записи.

Уровень выборки

Как указано в теореме Котельникова — Шеннона об отборе проб, для предотвращения алиасинга аудиосигнал должен быть дискретизирован с частотой, по крайней мере, вдвое превышающей частоту самой высокой частотной составляющей сигнала. Для аудио музыкального качества наиболее распространены частоты дискретизации 44,1 и 48 кГц. Мастер-запись может выполняться с более высокой частотой дискретизации (например, 88,2, 96, 176,4 или 192 кГц). Записи PCM высокого разрешения выпускались на DVD-Audio (также известном как DVD-A), DualDisc (с использованием слоя DVD-Audio) или High Fidelity Pure Audio на Blu-ray. Кроме того, запись высокого разрешения можно выпустить как несжатый WAV-файл или файл FLAC с lossless-сжатием (обычно 24 бита), без понижения частоты дискретизации. Продолжаются споры о том, дают ли более высокие частоты дискретизации какие-либо ощутимые преимущества для конечного продукта. При создании компакт-диска (стандарт CD Red Book – 44,1 кГц, 16 бит) из записи высокого разрешения, запись необходимо преобразовать в 44,1 кГц. Это делается в процессе мастеринга. Начиная с 1980-х годов, музыка, которая была записана, сведена или отмастерирована в цифровом виде, часто маркировалась кодом SPARS для обозначения того, какие процессы были аналоговыми, а какие – цифровыми. Поскольку цифровая запись стала практически повсеместной, коды SPARS сейчас используются редко.

Исправление ошибок

Одним из преимуществ цифровой записи над аналоговой является её устойчивость к искажениям. Как только сигнал переведен в цифровой формат, он не подвержен накоплению ошибок при копировании. Вместо постепенной деградации, характерной для аналоговых носителей, цифровые носители демонстрируют эффект резкого обрыва качества.