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...
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.
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.