Digitaalinen ääni

Analogisen signaalin (punainen) näytteenotto ja 4-bittinen kvantisointi käyttäen pulssikoodimodulaatiota.

Digitaalinen ääni on tekniikka, joka käyttää digitaalisia signaaleja äänen toistoon. Siihen kuuluu analogi-digitaalimuunnos, digitaali-analogiamuunnos, tallennus ja siirto.

Digitaalinen ääni on syntynyt, koska se on hyödyllinen äänen tallentamisessa, manipuloinnissa, massatuotannossa ja jakelussa. Nykyaikainen musiikin jakelu Internetissä verkkokauppojen kautta on riippuvainen digitaalisesta tallennuksesta ja digitaalisista pakkausalgoritmeista. Äänen jakelu datatiedostoina eikä fyysisinä esineinä on alentanut merkittävästi jakelukustannuksia.

Katsaus digitaaliseen äänentoistoon

Menossa analogisesta digitaaliseen

Vahasylinteristä kompaktikasettiin analogisen äänimusiikin tallentaminen ja toistaminen on perustunut samoihin periaatteisiin, joihin ihmisen kuulo perustuu. Analogisessa äänentoistojärjestelmässä äänet alkavat ilmassa olevina fyysisinä aaltomuotoina, muunnetaan aaltomuodon sähköiseksi esitykseksi muuntimen (esimerkiksi mikrofonin) välityksellä ja tallennetaan tai lähetetään. Jotta ääni voidaan luoda uudelleen, prosessi käännetään päinvastaiseksi vahvistamalla ja muuntamalla se sitten takaisin fyysisiksi aaltomuodoiksi kaiuttimen kautta. Vaikka äänen luonne voi muuttua, sen aaltomaiset perusominaisuudet pysyvät muuttumattomina sen tallennuksen, muuntamisen, monistamisen ja vahvistamisen aikana. Kaikki analogiset audiosignaalit ovat alttiita kohinalle ja vääristymille elektronisissa piireissä esiintyvän luontaisen kohinan vuoksi.

Digitaalinen ääni on tekniikka, jossa ääni esitetään digitaalisessa muodossa. Digitaalinen audioketju alkaa, kun analoginen audiosignaali muunnetaan sähköisiksi signaaleiksi – ”on/off”-pulsseiksi – sähkömekaanisten signaalien sijaan. Tämän jälkeen tämä signaali koodataan edelleen signaalin tallennuksessa tai siirrossa mahdollisesti esiintyvien virheiden torjumiseksi. Tämä ”kanavakoodaus” on olennainen osa digitaalisen järjestelmän kykyä luoda analoginen signaali uudelleen toistettaessa. Esimerkki kanavakoodauksesta on 8-14-bittinen modulaatio, jota käytetään ääni-Compact Disc -levyissä.

Analoginen signaali muunnetaan digitaaliseksi signaaliksi tietyllä näytteenottotaajuudella ja bittiresoluutiolla; se voi sisältää useita kanavia (kaksi kanavaa stereossa tai useampia kanavia surround-äänessä). Yleisesti ottaen mitä korkeampi näytteenottotaajuus ja bittiresoluutio ovat, sitä suurempi on äänitarkkuus ja sitä suurempi on myös digitaalisen datan määrä.

Avun laatu

Vaikka sekä analogisten että digitaalisten järjestelmien tavoitteena on toistaa ääni täydellisesti, tämän tavoitteen saavuttamisen tiellä on useita esteitä. Niitä ovat:

• Analoginen kohina kaappauspiirissä, ja niillä on luontaista kapasitanssia ja induktanssia, jotka rajoittavat järjestelmän kaistanleveyttä, ja resistanssia, joka rajoittaa amplitudia.
• Digitaalinen kvantisointikohina kaappauspiirissä, ja näytteenottotaajuus rajoittaa kaistanleveyttä ja sen bittiresoluutio rajoittaa dynamiikka-aluetta (amplitudin luomisen erottelukykyä).

Paremman äänitarkkuuden saavuttamiseksi tarvitaan laadukkaampia komponentteja, mikä lisää kokonaiskustannuksia.

Muunnosprosessi

Digitaalisen audiosignaalin lähtökohtana on analogi-digitaalimuunnin (ADC, Analog-to-digital converter), joka muuntaa analogisen signaalin digitaaliseksi signaaliksi. ADC toimii näytteenottotaajuudella ja muuntaa tunnetulla bittitarkkuudella. Esimerkiksi CD-äänen näytteenottotaajuus on 44,1 kHz (44 100 näytettä sekunnissa) ja 16-bittinen resoluutio jokaiselle kanavalle (stereo). Jos analoginen signaali ei ole jo valmiiksi kaistarajoitettu, ennen muuntamista tarvitaan anti-aliasing-suodatin digitaalisen signaalin aliasing-signaalin estämiseksi. (Aliasing syntyy, kun Nyquistin taajuuden yläpuolella olevia taajuuksia ei ole kaistarajoitettu, vaan ne näkyvät kuultavissa olevina artefakteina alemmilla taajuuksilla).

Yleiskatsaus digitaaliseen <-> analogiseen muuntoprosessiin.

Jotkut audiosignaalit, kuten digitaalisella syntetisaattorilla luodut signaalit, ovat lähtöisin kokonaan digitaalisesta alasta, jolloin analogi-digitaaliseen muuntamista ei tapahdu.

Kun digitaalinen signaali on näytteistetty ADC:llä, sitä voidaan muuttaa prosessissa, jota kutsutaan digitaaliseksi signaalinkäsittelyksi, jossa sitä voidaan suodattaa tai siihen voidaan soveltaa efektejä.

Digitaalinen audiosignaali voidaan sitten tallentaa tai lähettää.Digitaalinen audiotallennus voi olla CD-levyllä, MP3-soittimessa, kiintolevyllä, USB-muistitikulla, CompactFlash-muistitikulla tai muulla digitaalisella tallennuslaitteella.Audiodatan pakkaustekniikoita – kuten MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis tai Flac – käytetään yleisesti tiedostokoon pienentämiseen.Digitaalinen ääni voidaan lähettää suoratoistona muihin laitteisiin.

Digitaalisen äänen viimeinen vaihe on muuntaminen takaisin analogiseksi signaaliksi digitaali-analogiamuuntimella (DAC, digital-to-analog converter).Kuten ADC:t, myös DAC:t toimivat tietyllä näytteenottotaajuudella ja bittiresoluutiolla, mutta ylinäytteistyksen, ylösnäytteistyksen (upsamplauksen) ja alasnäytteistyksen (downsamplauksen) prosesseissa tämä näytteenottotaajuus ei ole välttämättä sama kuin alkuperäinen.

Digitaalisen äänenkäytön historia kaupallisessa tallentamisessa

Klassisen ja jazzmusiikin kaupallinen digitaalinen tallentaminen alkoi 1970-luvun alussa, ja sen edelläkävijöinä olivat japanilaiset yritykset, kuten Denon, BBC ja brittiläinen levy-yhtiö Decca (joka kehitti 70-luvun puolivälissä itse suunnittelemiaan digitaalisia äänitallenninlaitteita levyjensä masterointia varten), vaikka kokeellisia tallentamisia oli olemassa jo 1960-luvulta lähtien.

Yhdysvalloissa ensimmäisen 16-bittisen PCM-tallenteen teki Thomas Stockham Santa Fen oopperassa vuonna 1976 Soundstream-tallentimella. Useimmissa tapauksissa miksausvaihetta ei ollut; digitaalinen stereotallenne tehtiin ja sitä käytettiin muuttamattomana masternauhana myöhempää kaupallista julkaisua varten. Näitä miksaamattomia digitaalisia tallenteita kutsutaan edelleen DDD:ksi, koska kyseessä on puhtaasti digitaalinen tekniikka. (Sekoittamattomista analogisista äänitteistä käytetään yleensä myös nimitystä ADD, joka viittaa yhden sukupolven analogiseen äänitykseen.)

Vaikka kaikkien aikojen ensimmäinen digitaalinen äänite muusta kuin klassisesta musiikista, Morrissey-Mullenin cover Rose Royce -hitistä ”Love Don’t Live Here Anymore” (julkaistiin vuonna 1979 vinyyli-EP:nä), äänitettiin vuonna 1978 EMI:n Abbey Roadin äänitysstudiolla, ensimmäinen kokonaan digitaalisesti äänitetty (DDD) populaarimusiikkialbumi oli Ry Cooderin loppuvuonna 1978 äänitetty albumi nimeltä Bop Till You Drop. Sitä ei miksattu, vaan se nauhoitettiin studiossa suoraan kaksiraiteiselle 3M-digitaalinauhurille. Monet muutkin huippuartistit olivat varhaisia digitaalisen äänittämisen kannattajia. Toiset, kuten Beatlesin entinen tuottaja George Martin, olivat sitä mieltä, että 1980-luvun alun moniraitainen digitaalinen äänitystekniikka ei ollut vielä yhtä kehittynyttä kuin analogiset järjestelmät. Martin käytti kuitenkin digitaalista miksausta vähentääkseen säröä ja kohinaa, jota analoginen masternauha aiheuttaisi (siis ADD). Varhainen esimerkki analogisesta äänitteestä, joka miksattiin digitaalisesti, on Fleetwood Macin vuonna 1979 julkaisema Tusk.

Subjektiivinen arviointi

Taustatarkkuuden arviointi on pitkäaikainen kysymys äänentoistojärjestelmissä yleensä. Vaikka äänisignaaleja voidaan mitata ja analysoida erikoislaitteilla tarkempien standardien mukaan kuin korvakuulolta, tällaiset mittaukset eivät aina paljasta, arvioiko jokin kuulija tietyt äänet ”hyväksi” vai ”huonoksi”. Äänenlaatuun vaikuttavia muuttujia ovat muun muassa kuulokyky, henkilökohtaiset mieltymykset, sijainti suhteessa kaiuttimiin ja huoneen fyysiset ominaisuudet. Subjektiivinen arviointi ei tietenkään koske ainoastaan digitaalista ääntä. Digitaalinen äänentoisto tuo kuitenkin keskusteluun lisää tekijöitä, kuten häviölliset pakkausalgoritmit ja psykoakustiset mallit.

Digitaaliset äänitekniikat

• Digitaalinen äänilähetystekniikka (DAB)
• Digitaalinen äänityöasema
• Digitaalinen äänisoitin

Tallennustekniikat:

• Digitaalinen ääninauha (DAT)
• Compact disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• erilaiset äänitiedostomuodot

Digitaaliset audiorajapinnat

Audiokohtaisia rajapintoja ovat mm. seuraavat:

• AC97 (Audio Codec 1997) rajapinta PC-emolevyjen integroitujen piirien välillä
• Intel High Definition Audio Nykyaikainen korvaaja AC97:lle
• ADAT-rajapinta
• AES/EBU-rajapinta XLR-liittimillä
• AES47, Ammattikäyttöön tarkoitettu AES3-digitaalinen ääni Asynchronous Transfer Mode -verkoissa
• I²S (Inter-IC sound) -liitäntä integroitujen piirien välillä kulutuselektroniikassa
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI matalan kaistanleveyden liitäntä instrumenttidatan siirtämiseen; ei voi välittää ääntä
• S/PDIF, joko koaksiaalikaapelilla tai TOSLINK
• TDIF, Tascamin oma formaatti D-sub-kaapelilla
• Bluetooth A2DP:n kautta

Luonnollisesti mikä tahansa digitaalinen väylä (kuten USB, FireWire ja PCI) voi välittää digitaalista ääntä.

Vrt. myös

• Compact Disc
• DVD
• Musiikki
• Sound

• Borwick, John. 1996. Sound Recording Practice, 4. painos. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., and Barrie W. Jervis. 2002. Digital Signal Processing: A Practical Approach, 2. painos. Harlow, UK: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R. ja Bernard Gold. 1975. Theory and Application of Digitaalinen signaalinkäsittely. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty ja Ray Dougherty. 1984. Digital Signal Processing. Reston, VA: Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. The Art of Digital Audio, 3. painos. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

Kaikki linkit haettu 23.10.2017.

• Digital Audio. (Tutorial.)
• Introduction to Computer Music: Volume One, Chapter Five: Digital Audio.

Logiikkaportti | digitaalinen piiri | integroitu piiri (IC)

Teoria – boolen logiikka | digitaalinen signaalinkäsittely | tietokonearkkitehtuuri

Sovellukset – digitaalinen valokuvaus | digitaalinen ääni | digitaalinen video