Цифровое аудио - Digital audio

Эта статья о технологии, используемой для записи звука. О несуществующем журнале, первоначально называвшемся «Digital Audio», см. Обзор компакт-диска.
«Цифровая музыка» перенаправляется сюда. Для современной музыки, созданной цифровыми или электронными средствами, см. компьютерная музыка и электронная музыка.
Отображение уровней звука на цифровом аудиорекордере (Zoom H4n )

Цифровое аудио представляет собой представление звук записаны или преобразованы в цифровая форма. В цифровом аудио звуковая волна из звуковой сигнал обычно кодируется как числовой образцы в непрерывной последовательности. Например, в CD аудио, проб отобрано 44 100 раз в секунду, каждый с 16-битным глубина образца. Цифровое аудио - это также название всей технологии звукозапись и воспроизведение с использованием аудиосигналов, закодированных в цифровой форме. После значительных достижений в области цифровых аудиотехнологий в 1970-х и 1980-х годах он постепенно вытеснил аналоговая аудиотехнология во многих областях звуковая инженерия и телекоммуникации в 1990-е и 2000-е гг.

В цифровой аудиосистеме аналоговый электрический сигнал представляющий звук преобразуется с аналого-цифровой преобразователь (ADC) в цифровой сигнал, обычно используя импульсно-кодовая модуляция (PCM). Затем этот цифровой сигнал можно записать, отредактировать, изменить и скопировать с помощью компьютеры, устройства для воспроизведения звука и другие цифровые инструменты. Когда звукорежиссер желает прослушать запись в наушниках или громкоговорителях (или когда потребитель желает прослушать цифровой звуковой файл), цифро-аналоговый преобразователь (DAC) выполняет обратный процесс, преобразовывая цифровой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который затем отправляется через усилитель мощности звука и в конечном итоге громкоговоритель.

Цифровые аудиосистемы могут включать сжатие, место хранения, обработка, и коробка передач компоненты. Преобразование в цифровой формат обеспечивает удобное управление, хранение, передачу и поиск аудиосигнала. В отличие от аналогового звука, при котором копирование записи приводит к потеря поколения и ухудшение качества сигнала, цифровой звук позволяет делать бесконечное количество копий без какого-либо ухудшения качества сигнала.

Обзор

Звуковая волна красного цвета, представленная в цифровом виде, синим цветом (после отбор проб и 4-битный квантование ).

Цифровые аудиотехнологии используются при записи, обработке, массовом производстве и распространении звука, включая записи песни, инструментальные пьесы, подкасты, звуковые эффекты и другие звуки. Современный распространение музыки онлайн зависит от цифровой записи и Сжатие данных. Доступность музыки в виде файлов данных, а не физических объектов, значительно снизила расходы на распространение.[1] До появления цифрового звука музыкальная индустрия распространяла и продавала музыку, продавая физические копии в виде записи и кассеты. С системами цифрового аудио и онлайн-распространения, такими как iTunes, компании продают потребителям цифровые звуковые файлы, которые потребитель получает через Интернет.

Аналоговая аудиосистема преобразует физические формы волны звука в электрические представления этих форм волны с помощью преобразователь, например микрофон. Затем звуки сохраняются на аналоговом носителе, таком как магнитная лента, или передается через аналоговую среду, такую ​​как телефонная линия или радио. Для воспроизведения процесс обратный: электрический звуковой сигнал усиленный а затем преобразованы обратно в физические сигналы через громкоговоритель. Аналоговый звук сохраняет свои фундаментальные волновые характеристики при хранении, преобразовании, дублировании и усилении.

Аналоговые аудиосигналы чувствительны к шумам и искажениям из-за врожденных характеристик электронных схем и связанных с ними устройств. Нарушения в цифровая система не приводят к ошибке, если помехи не настолько велики, что могут привести к неправильной интерпретации символа как другой символ или нарушению последовательности символов. Поэтому, как правило, можно иметь полностью безошибочную цифровую аудиосистему, в которой не возникает шума или искажений между преобразованием в цифровой формат и преобразованием обратно в аналоговый.

Цифровой аудиосигнал может быть дополнительно закодирован для исправления любых ошибок, которые могут возникнуть при хранении или передаче сигнала. Этот метод, известный как кодирование каналов, важен для вещательных или записанных цифровых систем для поддержания битовой точности. Модуляция от восьми до четырнадцати код канала, используемый в аудио компакт-диск (КОМПАКТ ДИСК).

Процесс преобразования

Аналогово-цифро-аналоговое преобразование
Жизненный цикл звука от его источника через АЦП, цифровую обработку, ЦАП и, наконец, снова как звук.

Цифровая аудиосистема начинается с АЦП, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой.[примечание 1] АЦП работает с заданной частота выборки и преобразует с известным битовым разрешением. CD аудио, например, имеет частоту дискретизации 44,1кГц (44 100 выборок в секунду) и имеет 16-битный разрешающая способность для каждого стерео канал. Аналоговые сигналы, которые еще не были ограниченный диапазон должен пройти через фильтр сглаживания перед преобразованием, чтобы предотвратить искажение сглаживания что вызвано звуковыми сигналами с частотами выше, чем Частота Найквиста (половина частоты дискретизации).

Цифровой аудиосигнал может быть сохранен или передан. Цифровой звук можно хранить на компакт-диске, цифровой аудиоплеер, а жесткий диск, а флешка, или любой другой цифровой устройство хранения данных. Цифровой сигнал может быть изменен через цифровая обработка сигналов, где это может быть фильтрованный или есть эффекты применяется. Преобразование частоты дискретизации в том числе повышающая дискретизация и понижающая дискретизация может использоваться для согласования сигналов, которые были закодированы с другой частотой дискретизации, с общей частотой дискретизации до обработки. Методы сжатия аудиоданных, такие как MP3, Расширенное кодирование звука, Ogg Vorbis, или FLAC, обычно используются для уменьшения размера файла. Цифровой звук можно переносить цифровые аудиоинтерфейсы такие как AES3 или МАДИ. Цифровой звук можно передавать по сети с помощью аудио через Ethernet, аудио через IP или другой потоковое мультимедиа стандарты и системы.

Для воспроизведения цифровой звук должен быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Согласно Теорема выборки Найквиста – Шеннона с некоторыми практическими и теоретическими ограничениями версия исходного аналогового сигнала с ограниченной полосой частот может быть точно реконструирована из цифрового сигнала.

История

Кодирование

Основные статьи: Формат кодирования аудио и Сжатие аудиоданных

Импульсно-кодовая модуляция (PCM) был изобретен британским ученым Алек Ривз в 1937 г.[2] В 1950 г. К. Чапин Катлер из Bell Labs подал патент на дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM),[3] а Сжатие данных алгоритм. Адаптивный DPCM (ADPCM) был представлен П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Джеймс Л. Фланаган в Bell Labs в 1973 году.[4][5]

Перцептивное кодирование был впервые использован для кодирование речи сжатие, с кодирование с линейным прогнозированием (LPC).[6] Первоначальные концепции LPC восходят к работе Фумитада Итакура (Нагойский университет ) и Сюдзо Сайто (Nippon Telegraph and Telephone ) в 1966 году.[7] В 1970-е годы Бишну С. Атал и Манфред Р. Шредер в Bell Labs разработали форму LPC под названием адаптивное кодирование с предсказанием (APC), алгоритм кодирования восприятия, который использовал маскирующие свойства человеческого уха, за которым в начале 1980-х гг. линейное предсказание с кодовым возбуждением (CELP) алгоритм.[6]

Дискретное косинусное преобразование (DCT) кодирование, a сжатие с потерями метод, впервые предложенный Насир Ахмед в 1972 г.,[8][9] послужил основой для модифицированное дискретное косинусное преобразование (MDCT), который был разработан Дж. П. Принсеном, А. В. Джонсоном и А. Б. Брэдли в 1987 году.[10] MDCT является основой для большинства стандарты кодирования звука, такие как Dolby Digital (АС-3),[11] MP3 (MPEG Слой III),[12][6] Расширенное кодирование звука (AAC), Windows Media Audio (WMA) и Vorbis (Ogg ).[11]

Запись

Основная статья: Цифровая запись

PCM использовался в телекоммуникации приложений задолго до его первого использования в коммерческом вещании и записи. Коммерческая цифровая запись была пионером в Японии NHK и Nippon Columbia и их Denon бренд, в 1960-х годах. Первые коммерческие цифровые записи были выпущены в 1971 году.[13]

В BBC также начал экспериментировать с цифровым звуком в 1960-х. К началу 1970-х годов он разработал 2-канальный рекордер, а в 1972 году развернул систему цифровой передачи звука, которая связала их центр вещания с их удаленными передатчиками.[13]

Первая 16-битная запись PCM в Соединенные Штаты был сделан Томас Стокхэм на Опера Санта-Фе в 1976 г. на Звуковой поток рекордер. Усовершенствованная версия системы Soundstream использовалась для создания нескольких классических записей. Telarc в 1978 г. 3 млн цифровой многодорожечный рекордер в разработке в то время была основана на технологии BBC. Первый полностью цифровой альбом, записанный на этой машине, был Рай Кудер с Боп, пока не упадешь в 1979 году. Британский лейбл Декка начала разработку собственных двухдорожечных цифровых аудиомагнитофонов в 1978 году и выпустила первую европейскую цифровую запись в 1979 году.[13]

Популярные профессиональные цифровые многодорожечные рекордеры производства Sony / Studer (DASH ) и Mitsubishi (ProDigi ) в начале 1980-х годов помогли добиться признания цифровых записей крупными звукозаписывающими компаниями. Появление в 1982 году компакт-дисков популяризировало цифровой звук среди потребителей.[13]

Телефония

Основная статья: Цифровая телефония

Быстрое развитие и широкое распространение PCM цифровая телефония был включен металл – оксид – полупроводник (MOS) переключаемый конденсатор (SC) схемотехника, разработанная в начале 1970-х годов.[14] Это привело к разработке микросхем кодеков-фильтров PCM в конце 1970-х годов.[14][15] В кремниевый затвор CMOS (комплементарный MOS) чип кодека-фильтра PCM, разработанный Дэвид А. Ходжес и W.C. Черный в 1980 году,[14] с тех пор является отраслевым стандартом цифровой телефонии.[14][15] К 1990-м годам телекоммуникационные сети такой как телефонная сеть общего пользования (PSTN) были в основном оцифрованный с участием СБИС (очень крупномасштабная интеграция ) CMOS PCM кодек-фильтры, широко используемые в электронные системы коммутации для телефонные станции, со стороны пользователя модемы и ряд цифровая передача такие приложения, как цифровая сеть с интегрированными услугами (ISDN), беспроводные телефоны и сотовые телефоны.[15]

Технологии

Sony цифровая аудиокассета диктофон PCM-7030

Цифровой звук используется в вещание аудио. Стандартные технологии включают Цифровое аудиовещание (DAB), Цифровое радио Mondiale (DRM), HD Радио и Внутриполосный на канале (IBOC).

Цифровой звук в записывающих приложениях хранится на специальных аудиотехнологиях, включая компакт-диски, Цифровая аудиокассета (DAT), Цифровая компакт-кассета (DCC) и MiniDisc. Цифровой звук может храниться в стандартном форматы аудиофайлов и хранится на Рекордер с жестким диском, Блю рей или DVD-аудио. Файлы можно воспроизводить на смартфонах, компьютерах или Мп3-плеер.

Интерфейсы

Интерфейсы для цифрового аудио включают:

Несколько интерфейсов разработаны для передачи цифрового видео и звука вместе, в том числе HDMI и DisplayPort.

Для персональные компьютеры, USB и IEEE 1394 есть условия для передачи цифрового звука в реальном времени. В профессиональных архитектурных или монтажных приложениях многие аудио через Ethernet протоколы и интерфейсы существуют. В вещание, более общий аудио через IP предпочтение отдается сетевой технологии. В телефонии передача голоса по IP используется как сетевой интерфейс для цифрового звука для голосовой связи.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Некоторые аудиосигналы, например, созданные цифровой синтез происходят полностью в цифровой области, и в этом случае аналого-цифровое преобразование не происходит.

использованная литература

  1. ^ Janssens, Jelle; Стейн Вандаэле; Том Вандер Бекен (2009). «Музыкальная индустрия на линии? Пережить музыкальное пиратство в эпоху цифровых технологий». Европейский журнал преступности, уголовного права и уголовного правосудия. 77 (96): 77–96. Дои:10.1163 / 157181709X429105. HDL:1854 / LU-608677.
  2. ^ Непризнанный гений, BBC, 27 марта 2011 г., получено 2011-03-30
  3. ^ Патент США 2605361, К. Чапин Катлер, "Дифференциальное квантование сигналов связи", выпущенный 1952-07-29. 
  4. ^ П. Каммиски, Никил С. Джаянт и Дж. Л. Фланаган, "Адаптивное квантование в дифференциальном кодировании речи с ИКМ", Bell Syst. Tech. Дж., т. 52, стр. 1105–1118, сентябрь 1973 г.
  5. ^ Cummiskey, P .; Джаянт, Никил С .; Фланаган, Дж. Л. (1973). «Адаптивное квантование при дифференциальном кодировании речи с ИКМ». Технический журнал Bell System. 52 (7): 1105–1118. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1973.tb02007.x. ISSN  0005-8580.
  6. ^ а б c Шредер, Манфред Р. (2014). "Bell Laboratories". Акустика, информация и связь: Мемориальный том в честь Манфреда Р. Шредера. Springer. п. 388. ISBN  9783319056609.
  7. ^ Грей, Роберт М. (2010). «История цифровой речи в режиме реального времени в пакетных сетях: часть II линейного предсказательного кодирования и Интернет-протокола» (PDF). Найденный. Тенденции сигнального процесса. 3 (4): 203–303. Дои:10.1561/2000000036. ISSN  1932-8346.
  8. ^ Ахмед, Насир (Январь 1991 г.). "Как я пришел к дискретному косинусному преобразованию". Цифровая обработка сигналов. 1 (1): 4–5. Дои:10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z.
  9. ^ Насир Ахмед; Т. Натараджан; Камисетти Рамамохан Рао (январь 1974 г.). «Дискретное косинусное преобразование» (PDF). Транзакции IEEE на компьютерах. С-23 (1): 90–93. Дои:10.1109 / T-C.1974.223784.
  10. ^ Дж. П. Принсен, А. В. Джонсон и А. Б. Брэдли: Кодирование поддиапазона / преобразования с использованием схем набора фильтров на основе отмены наложения спектров во временной области, IEEE Proc. Intl. Конференция по акустике, речи и обработке сигналов (ICASSP), 2161–2164, 1987.
  11. ^ а б Ло, Фа-Лонг (2008). Стандарты мобильного мультимедийного вещания: технологии и практика. Springer Science & Business Media. п. 590. ISBN  9780387782638.
  12. ^ Гукерт, Джон (весна 2012 г.). «Использование БПФ и MDCT в сжатии аудио MP3» (PDF). Университет Юты. Получено 14 июля 2019.
  13. ^ а б c d Хорошо, Томас (2008). Барри Р. Эшпол (ред.). «Рассвет коммерческой цифровой записи» (PDF). Журнал ARSC. Получено 2010-05-02.
  14. ^ а б c d Оллстот, Дэвид Дж. (2016). «Фильтры переключаемых конденсаторов» (PDF). В Малоберти, Франко; Дэвис, Энтони С. (ред.). Краткая история схем и систем: от экологически чистых мобильных сетей с повсеместным распространением информации до обработки больших данных. IEEE Circuits and Systems Society. С. 105–110. ISBN  9788793609860.
  15. ^ а б c Флойд, Майкл Д .; Хиллман, Гарт Д. (8 октября 2018 г.) [1-й паб. 2000]. «Кодек-фильтры с импульсной модуляцией». Справочник по коммуникациям (2-е изд.). CRC Press. С. 26–1, 26–2, 26–3.

дальнейшее чтение

  • Борвик, Джон, изд., 1994: Практика звукозаписи (Оксфорд: Издательство Оксфордского университета)
  • Бози, Марина, и Голдберг, Ричард Э., 2003 г .: Введение в кодирование цифрового звука и стандарты (Спрингер)
  • Ифичор, Эммануэль К., и Джервис, Барри В., 2002: Цифровая обработка сигналов: практический подход (Харлоу, Англия: Pearson Education Limited)
  • Рабинер, Лоуренс Р. и Голд Бернард, 1975: Теория и применение цифровой обработки сигналов (Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc.)
  • Уоткинсон, Джон, 1994: Искусство цифрового аудио (Оксфорд: Focal Press)

внешние ссылки