Отображение уровней звука на цифровом аудиомагнитофоне (
Zoom H4n )
В цифровой записи, аудио или видеосигнал оцифрован, преобразуясь в поток дискретных чисел, представляющих изменения во времени давления воздуха для звука или значения цветности и яркости для видео. Этот числовой поток сохраняется на запоминающем устройстве. Для воспроизведения цифровой записи числа извлекаются и конвертируются обратно. в их исходные аналоговые аудио- или видеоформы, чтобы их можно было слышать или видеть. Сами потоки оцифрованных номеров никогда не слышны и не видны, поскольку они скрыты процессом.
согласованной пары аналого-цифрового преобразователя (ADC) и цифро-аналогового преобразователя (DAC), имеется один и только один аналоговый выход, который по определению должен точно соответствовать аналоговый вход. Поскольку сигнал хранится в цифровом виде, качество записи не ухудшается при копировании, не ухудшается при хранении (при условии надлежащего обнаружения и исправления ошибок ) и не ухудшается из-за помех.
Содержание
- 1 Временная шкала
- 2 Процесс
- 3 Запись битов
- 3.1 Методы записи на коммерческий носитель
- 4 Параметры цифровой аудиозаписи
- 4.1 Размер слова
- 4.2 Частота дискретизации
- 4.3 Исправление ошибок
- 5 См. Также
- 6 Ссылки
Временная шкала
- 3 октября 1938 г.: британский инженер-телефонист Алек Харли Ривз подал в Патентное ведомство Франции первый патент, описывающий метод, известный сегодня как импульсно-кодовая модуляция (PCM). Позже, 22 ноября 1939 г. Ривз подает документы в США. Впервые она была предложена в качестве технологии телефонии.
- 1943: Bell Telephone Laboratories разрабатывает первый PCM. цифровая система передачи закодированной речи, SIGSALY, в ответ на перехват немецкой военной телефонной связи во время Второй мировой войны. Двенадцать точек передачи были выведены из эксплуатации после войны.
- июнь 1950: Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM), разработанная C. Чапин Катлер в Bell Labs.
- 1957: Макс Мэтьюз из Bell разрабатывает процесс цифровой записи звука на компьютере.
- ноябрь 1959 г. : Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET, или MOS-транзистор), изобретенный Мохамедом М. Аталлой и Давоном Кангом в Bell Labs. Технология MOS является основой цифровых технологий, таких как микросхемы крупномасштабной интеграции (LSI), микропроцессоры, датчики изображения, используемые в микросхемы обработки цифровых изображений и процессора цифровых сигналов (DSP), используемые в обработке аудиосигналов и обработке цифровых изображений.
- 1966: линейное прогнозирование кодирование (LPC), технология обработки аудиосигнала и кодирования речи, впервые предложенная Фумитада Итакура из Университета Нагоя и Сюдзо Сайто из Nippon Telegraph and Telephone (NTT). LPC был основой для технологии передачи голоса по IP (VoIP), а также для микросхем обработки речи, таких как LPC Speech Chips Texas Instruments, используемых в игрушки Speak Spell 1978 года.
- 1967: Первый монофонический кодировщик PCM был разработан исследовательскими центрами NHK в Японии. 12-битное устройство 30 кГц использовало компандер (аналогично DBX Noise Reduction ) для расширения динамического диапазона и сохраняло сигналы на видеомагнитофоне.
- 1969: NHK расширяет возможности кодировщика PCM до двухканального стерео и 32 кГц 13-битного разрешения.
- 1969: устройство с зарядовой связью, первое изображение датчик, используемый в цифровых изображениях, изобретенный Уиллардом С. Бойлом и Джорджем Э. Смитом в Bell Labs, на основе технологии МОП-конденсатора.
- 1970: Американский изобретатель Джеймс Рассел патентует первую оптическую систему записи и воспроизведения, которая позже стала основой компакт-диска.
- Январь 1971: Используя экспериментальную систему записи PCM NHK, доктор Такэаки Анадзава, инженер из Denon, записывает первые в мире коммерческие цифровые записи, The World Of Stomu Yamash'ta 1 2 от Стому Ямаш'та (11 января 1971 г.) и Something от Стива Маркуса и Джиро Ина гаки (25 января 1971 г.). Оба должны были быть записаны вживую, без правок. Маркус был выпущен первым (в феврале 1972 года), что сделало его первой выпущенной цифровой записью . 27 января Ямашта записывает Metempsychosis в студии Nippon Columbia, Токио, с перкуссией и медной секцией.
- 1972: Используя уроки, извлеченные из кодировщика NHK, Denon представляет первые 8 -канальный PCM-кодер DN-023R, использующий 13-битное PCM-разрешение 47,25 кГц и 4-х головной открытый катушечный радиомагнитофон видеомагнитофон. Первая запись с этой новой системой - Smetana Quartet, исполняющая струнные квартеты Моцарта K.458 и K.421, записанные в Токио 24–26 апреля и выпущен в октябре того же года. По крайней мере шесть других цифровых LP, записанных Denon, выпущены в октябре, включая джаз, классическую и традиционную японскую музыку.
- 1972: Дискретное косинусное преобразование (DCT), важный метод сжатия данных, впервые предложенный Насиром Ахмедом во время работы в Государственном университете Канзаса. Сжатие DCT позже стало основой цифровых носителей. Это основа для современных стандартов сжатия мультимедиа, для цифровых изображений (например, JPEG ), цифрового видео (например, >H.26x и MPEG ), цифровое аудио (например, Dolby Digital и MP3 ) и цифровое телевидение (например, HDTV ).
- 1973: Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ADPCM), разработанная П. Каммиски, Никил Джаянт и Джеймс Л. Фланаган в Bell Labs.
- 2–3 декабря 1974 г.: Камерный оркестр Пайларда записывает первую цифровую запись за пределами Японии в Париж 'Собор Нотр-Дам с использованием Denon DN-023R. Бах "Музыкальное предложение " (BWV 1079) выпущен LP, май 1975 г.
- 12–19 декабря 1974 г.: Гельмут Риллинг записывает три органных произведения Баха внутри Gedächtniskirche, Штутгарт Германия, используя DN-023R.
- Май 1975: Университет Юты профессор Томас Стокхэм разрабатывает цифровой аудиомагнитофон PCM собственной разработки, использующий компьютерные ленточные накопители в качестве системы хранения. Он основывает компанию Soundstream, чтобы предлагать ее на коммерческой основе. Между 1977 и 1980 годами было изготовлено восемнадцать 4-канальных 16-битных устройств 50 кГц, семь из которых были проданы (примерно по 150 000 долларов США за штуку). На его оборудовании было сделано более 200 записей, почти половина всех цифровых классических записей, сделанных в 1970-х.
- 1976: Прототип Soundstream 37,5 кГц, 16-битный, 2-канальный рекордер. используется для записи Оперы Санта-Фе, исполняющей оперу Вирджила Томсона Мать всех нас для New World Records, что делает его первая цифровая запись в США . Однако цифровой рекордер - это просто резервная копия основного аналогового многодорожечного рекордера, а аналоговая запись считается лучшей и поэтому используется для выпуска LP. Резервная цифровая лента была представлена на конференции AES в октябре 1976 года в Нью-Йорке, но так и не была выпущена в продажу.
- 1977: Denon разрабатывает портативную записывающую систему с ИКМ меньшего размера, DN-034R. Как и DN-023R, он записывает 8 каналов с частотой 47,25 кГц, но использует 14 битов «с упором, что эквивалентно 15,5 битам». Это также позволило впервые выполнить наложение, что имеет решающее значение для профессиональной записи.
- 28–31 августа 1977: PCM-система Soundstream второго поколения работает в фоновом режиме California непосредственно на запись на диск сессия органиста Вирджила Фокса для Crystal Clear Records. При первоначальном выпуске получившиеся пластинки были спрессованы с ацетата, предназначенного для прямой записи на диск, хотя более позднее переиздание компакт-диска (1987 г.) происходит с цифровых резервных лент, когда ацетаты больше не использовались. Переиздание компакт-диска было произведено компанией Bainbridge Records.
- Сентябрь 1977 г.: Sony представляет аудиоблок PCM-1 (розничная цена 4400 долларов) (44,056 кГц, 14 бит), первый потребительский (обеспеченный) кодировщик PCM.. Для хранения требовалось использование домашнего видеомагнитофона.
- 4–7 ноября 1977 г.: 3M демонстрирует прототип 2-канального 16-разрядного цифрового записывающего устройства 50,4 кГц, работающего на 1- дюймовая лента со скоростью 45 дюймов в секунду в соответствии с Нью-Йоркской конвенцией AES. Поскольку настоящих 16-битных преобразователей не было, он объединил отдельные 12-битные и 8-битные преобразователи для создания 16-битной производительности.
- 28 ноября 1977: Denon переносит свой DN-034R на New Студия Sound Ideas York City и записывает альбом Арчи Шеппа On Green Dolphin Street, что делает его первым выпущенным в Америке коммерческим альбомом в цифровой форме. Следующие два дня, 29–30 ноября, Фрэнк Фостер и пластинка Loud Minority Manhattan Fever, выпущенная в апреле 1978 года. Пять других джазовых альбомов записаны с DN-034R в New York, прежде чем он вернется в Японию в декабре.
- Январь 1978: первый коммерческий релиз Soundstream, Дайан Кэрролл с оркестром Duke Ellington под руководством Mercer Эллингтон - дань уважения Этель Уотерс, появляется
- Март 1978: Sony представляет аудиопроцессор профессионального уровня PCM-1600 (44,056 кГц, 16 бит) (прейскурантная цена 40 000 долларов), используемый с внешним ленточным накопителем U-matic, что впервые делает цифровую запись коммерчески доступной для студий звукозаписи. Далее следуют PCM-1610 и PCM-1630.
- 4–5 апреля 1978 г.: Telarc использует систему PCM Soundstream для записи Фредерика Феннелла и его исполнения Eastman Wind Ensemble Сюиты Густава Холста для военного оркестра и Музыка Джорджа Фридриха Генделя для королевского фейерверка. Когда он был выпущен на LP, он стал первым цифровым классическим релизом, записанным в США. .
- 2 июня 1978 г.: Sound 80 студия в Миннеаполисе записывает Saint Paul Chamber Оркестр исполняет песню Аарона Копленда Appalachian Spring. Этот сеанс настроен как непосредственно для записи на диск, при этом прототип цифрового записывающего устройства 3M 50,4 кГц работает в фоновом режиме. Есть некоторые разногласия, но похоже, что итоговая запись LP (Sound80 Records S80-DLR-101) была взята с магнитных лент с цифровыми резервными копиями, а не с ацетата для прямой записи на диск. В 1984 году эта сессия переиздается на Compact Disc компанией ProArte. Эта запись была номинирована на три премии Грэмми, выиграв «Лучшее исполнение камерной музыки » (1980), что сделало ее первой цифровой записью, получившей такую награду .
- Начало июня 1978 года: Sound 80 записывает Flim и дебютный одноименный альбом BB как еще один прямо на диск, записывая снова с экспериментальным рекордером 3M в задний план. Опять же, ацетат не так хорош, как цифровая резервная копия, поэтому цифровой мастер используется для LP-записи (Sound80 Records S80-DLR-102). Это делает его первым неклассическим цифровым релизом в США . В течение 6 месяцев собранный вручную («очень громоздкий и привередливый») цифровой рекордер 3M разбирается, в результате чего нестандартная мастер-лента становится непригодной для воспроизведения. Поэтому переиздание компакт-диска невозможно. Вопрос о выпуске компакт-диска Камерного оркестра Святого Павла, в котором использовалась та же машина, остается необъяснимым.
- 8 марта 1979 г.: Philips <продемонстрировал прототип первого компакт-диска 91>в Эйндховене с соответствующим игроком по прозвищу «Пинкельтье».
- 11 июля 1979 г.: первый в США цифровой LP с популярной музыкой (с вокалом), Bop 'Til You Drop гитариста Ry Cooder, был выпущен Warner Bros. Records. Альбом был записан в Лос-Анджелесе на 32-трековой цифровой машине, созданной корпорацией 3M.
- 27 августа 1979 г.: Джорджио Мородер <91 Выпущен E = MC², первый электронный альбом, записанный на Soundstream PCM.
- 12 октября 1979 г.: Fleetwood Выпущен альбом Tusk (альбом) Мака. Он и Live (альбом Fleetwood Mac), 8 декабря 1980 г., были мастерингованы на Soundstream PCM из аналоговых мульти-треков.
- 30 октября 1979 г.: Stevie Wonder выпускает свой альбом саундтреков, Journey Through the Secret Life of Plants, записанный и сведенный на Sony PCM-1600.
- 1 декабря 1979: Грэмми- Вышел отмеченный наградами одноименный альбом Кристофера Кросса. Альбом Кросса становится первым альбомом, записанным в цифровом формате, попавшим в чарт (записанным в системе 3M) в Соединенных Штатах, в конечном итоге получив 5 Грэмми. Цифровая запись сейчас мейнстрим.
- 1980: Стандарт Красной книги (44,1 кГц, 16 бит) установлен для Compact Disc Digital Audio.
- 1980: Mitsubishi Electric представляет X-80 ProDigi открытая катушка 1/4 дюйма, 15 дюймов в секунду, 50,4 кГц, 16-битный цифровой рекордер (5000 долларов США). Во всем мире продано всего 200 штук.
- 1980: Soundstream сливается с Digital Recording Corporation и становится DRC / Soundstream для разработки и продажи записи PCM 50 кГц на оптическую карту. Затмевшаяся распространением 44,1 кГц Compact Disc, компания прекратила свою деятельность после 1983 года..
- 1981: Sony выпускает цифровой аудиопроцессор PCM-F1 (1900 долларов США) (44,056 кГц, 16 бит) и соответствующий SL-2000 Betamax видеомагнитофон (700 долларов США) в качестве полностью доступного портативного устройства. (с дополнительными батареями) домашняя цифровая записывающая система
- 1981: Technics выпускает цифровой кассетный аудиомагнитофон SV-P100. Это первый кассетный цифровой магнитофон, подходящий как для профессионального (цифровой мастеринг), так и для профессионального использования. -я бытовая (бытовая) запись. Он использовал 14-битную запись PCM на кассетную ленту формата VHS, что дало до 3 часов программы двухканальной стереозаписи.
- 17 августа 1982: первый компакт-диск произведен, ABBA The Visitors (потому что он был «в основном записан в цифровом виде») производится в Ганновере, Германия.. Однако из-за производственных проблем с ним третья версия не поступала в продажу до конца 1982 или начала 1983 года. 52nd Street Билли Джоэла фактически становится первым компакт-диском, который поступил в продажу 1 октября 1982 года.
- 5 сентября 1982 года: Питер Гэбриэл выпускает свой четвертый студийный альбом (под названием Security в Северной Америке и Петр Габриэль IV в другом месте). Выпущенный на компакт-диске в октябре 1984 года, он становится первым полностью цифровым релизом DDD. Он был записан на цифровой студии Mobile One Sony и микширован на Sony PCM-1610.
- 1 октября 1982 г.: The Nightfly Дональдом Fagen выпущен, записан и сведен на 32-трековый рекордер 3M. Когда в 1984 году выпущен компакт-диск, он становится еще одним ранним выпуском DDD.
- 1 октября 1982 года: первые цифровые проигрыватели компакт-дисков продаются Sony (CDP-101, $ 900) и Philips. (CD-100, $ 700).
- Октябрь 1982: New England Digital предлагает записывающее устройство с жестким диском (Sample-to-Disk) на Synclavier, первая коммерческая система записи на жесткий диск (HDD).
- 26-28 ноября 1982 г.: Flim и BB's записывают свой второй студийный альбом, Трехколесный велосипед. Выпущенный в начале 1983 года, он становится первым неклассическим полностью цифровым CD, выпущенным . (Позже был присвоен код SPARS DD).
- 1984: Sony выпускает цифровой аудиопроцессор PCM-501ES (44,1 кГц, 16 бит) (прайс-лист 895 долларов США), который используется с внешний видеомагнитофон VHS или Beta.
- сентябрь 1984: альбом Брюса Спрингстина Born in the USA становится первым компакт-диском, произведенным в США будет выпущен.
- 12 ноября 1984: выпущен второй студийный альбом американской певицы Мадонны Like a Virgin. Он стал первым цифровым альбомом, который возглавил чарт Billboard 200.
- 13 мая 1985 г.: Пятый студийный альбом английской рок-группы Dire Straits Brothers in Выпущено Arms. Он стал самым продаваемым альбомом 80-х, записанным в цифровом формате, и первым альбомом, продажи компакт-дисков которого превышали продажи пластинок. Альбом, возможно, продвинул цифровую запись к более широкому использованию.
- 1987: Sony разрабатывает Digital Audio Tape.
- 1989: Начаты тестовые трансляции для NICAM стерео цифрового звука для телевещания. в Великобритании.
- 1990: Цифровое радио начинается в Канаде с использованием L-Band.
- 1991: Alesis Digital Audio Tape или ADAT - это формат ленты, используемый для одновременной записи восьми дорожек цифрового аудио одновременно на Super VHS магнитную ленту - формат, аналогичный тому, который используется в бытовых видеомагнитофонах. О продукте было объявлено в январе 1991 года на съезде NAMM в Анахайме, Калифорния. Первые рекордеры ADAT были поставлены более года спустя, в феврале или марте 1992 года.
- 1993: RADAR (аудиорекордер) Цифровой аудиорекордер с произвольным доступом или RADAR - первый одинарное устройство, используемое для одновременной записи 24 дорожек цифрового звука одновременно на жесткий диск. Продукт, производимый Creation Technologies (iZ Technology Corporation ), был анонсирован в октябре 1993 года на съезде AES в Нью-Йорке, Нью-Йорк. Первые радиомагнитофоны отгружены в августе 1994 года.
- 1996: Оптические диски и DVD-плееры начинают продаваться в Японии.
- 1999: Рики "Livin 'la Vida Loca " Мартина становится первым синглом №1, который будет записан, отредактирован и полностью микширован на Digital Audio Workstation. Произведено с использованием среды Pro Tools Чарльзом Даем и Десмондом Чайлдом.
Процесс
Запись
- Аналоговый сигнал передается с устройства ввода на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
- АЦП преобразует этот сигнал, многократно измеряя мгновенный уровень аналоговой (звуковой) волны, а затем присваивая двоичное число с заданным количеством бит (длина слова) для каждой точки измерения.
- Частота, на которой АЦП измеряет уровень аналоговой волны, называется частотой дискретизации или частотой дискретизации.
- Цифровой аудиосэмпл с заданной длиной слова представляет уровень звука в один момент.
- Чем больше длина слова, тем более точное представление исходного уровня звуковой волны.
- Чем выше дискретизация тем выше будет верхняя звуковая частота оцифрованного звукового сигнала.
- АЦП выводит последовательность цифровых звуковых отсчетов, которые составляют непрерывный поток из нулей и единиц.
- Th Эти двоичные числа хранятся на носителе записи, таком как жесткий диск, оптический привод или в твердотельной памяти.
Воспроизведение
- Последовательность чисел передается из сохранение в цифро-аналоговый преобразователь (DAC), который преобразует числа обратно в аналоговый сигнал, склеивая информацию об уровне, хранящуюся в каждой цифровой выборке, таким образом восстанавливая исходную аналоговую форму волны.
- Этот сигнал усиливается и передается на динамики или видеоэкран.
Запись битов
Даже после преобразования сигнала в биты запись по-прежнему затруднена. ; Самое сложное - найти схему, которая может записывать биты достаточно быстро, чтобы не отставать от сигнала. Например, для записи двух каналов звука с частотой дискретизации 44,1 кГц с размером слова 16 бит, программное обеспечение записи должно обрабатывать 1 411 200 бит в секунду.
Методы записи на коммерческие носители
Для цифровых кассет головка чтения / записи движется так же, как и лента, чтобы поддерживать достаточно высокую скорость для сохранения бит в управляемом размере.
Для технологий записи оптических дисков, таких как CD или DVD, лазер используется для прожигания микроскопических отверстий в красящий слой среды. Для считывания этих сигналов используется более слабый лазер. Это работает, потому что металлическая подложка диска является отражающей, а несгоревший краситель предотвращает отражение, в то время как отверстия в красителе допускают его, позволяя представлять цифровые данные.
Параметры цифровой аудиозаписи
Размер слова
Число бит, используемых для представления дискретизированной звуковой волны ( размер слова ) напрямую влияет на результирующий шум в записи после преднамеренного добавления дизеринга или на искажение неискаженного сигнала.
Количество возможных уровней напряжения на выходе - это просто количество уровней, которые могут быть представлены максимально возможным цифровым числом (число 2 в степени количества бит в каждой выборке). «Промежуточные» значения не допускаются. Если в каждой выборке больше битов, форма сигнала отслеживается более точно, потому что каждый дополнительный бит удваивает количество возможных значений. Искажение - это примерно процент, который младший значащий бит представляет из среднего значения. Искажения (в процентах) в цифровых системах возрастают по мере уменьшения уровня сигнала, что является противоположностью поведению аналоговых систем.
Частота дискретизации
Если частота дискретизации слишком низкий, исходный аудиосигнал не может быть восстановлен из дискретизированного сигнала.
Как указано в теореме выборки Найквиста – Шеннона, чтобы предотвратить наложение, аудиосигнал должен быть дискретизирован с частотой, по крайней мере, в два раза превышающей скорость самой высокой частотной составляющей. в сигнале. Для записи звука музыкального качества наиболее распространены следующие частоты дискретизации PCM: 44,1, 48, 88,2, 96, 176,4 и 192 кГц, каждая с верхним пределом частоты, равным половине частоты дискретизации.
При записи опытные инженеры по аудиозаписи и мастерингу часто выполняют основную запись с более высокой частотой дискретизации (например, 88,2, 96, 176,4 или 192 кГц), а затем выполняют любое редактирование или микширование с такой же более высокой частотой. частота, чтобы избежать ошибок сглаживания. Записи PCM высокого разрешения были выпущены на DVD-Audio (также известном как DVD-A), DAD (Digital Audio Disc, который использует стереофонические аудиодорожки PCM обычного DVD), DualDisc (с использованием слоя DVD-Audio) или High Fidelity Pure Audio на Blu-ray. Кроме того, можно выпустить запись с высоким разрешением в виде несжатого файла WAV или файла со сжатием без потерь FLAC (обычно 24 бита) без преобразования с понижением.. Остается спорным, действительно ли более высокая частота дискретизации дает какие-либо проверяемые преимущества в потребительском продукте при использовании современных фильтров сглаживания.
Когда компакт-диск (CD Red Book стандарт - 44,1 кГц 16 бит) должна быть сделана из записи с высоким разрешением, запись должна быть преобразована с понижением до 44,1 кГц или изначально записана с этой скоростью. Это делается как часть процесса освоения.
Начиная с 1980-х годов музыка, которая записывалась, микшировалась и / или мастерилась в цифровом виде, часто помечалась с использованием кода SPARS для описания того, какие процессы были аналоговыми, а какие - цифровыми. Поскольку цифровая запись стала почти повсеместной, коды SPARS теперь используются редко.
Исправление ошибок
Одним из преимуществ цифровой записи перед аналоговой записью является ее устойчивость к ошибкам. Когда сигнал находится в цифровом формате, он не будет ухудшаться (добавлять шум или искажения) из-за копирования или хранения.
См. Также
Ссылки