Digitale audio

Bemonstering en 4-bit kwantisering van een analoog signaal (rood) met behulp van Pulse Code Modulation.

Digitale audio is een technologie die gebruik maakt van digitale signalen voor geluidsweergave. Het omvat analoog-naar-digitaal-omzetting, digitaal-naar-analoog-omzetting, opslag en transmissie.

Digitale audio is opgekomen vanwege het nut ervan bij de opname, manipulatie, massaproductie en distributie van geluid. De moderne distributie van muziek via het Internet via on-line winkels is afhankelijk van digitale opnamen en digitale compressie-algoritmen. Distributie van audio als databestanden in plaats van als fysieke objecten heeft de distributiekosten aanzienlijk verlaagd.

Overzicht van digitale audio

Gaande van analoog naar digitaal

Van de wascilinder tot de compact cassette zijn de opslag en reproductie van analoge audiomuziek gebaseerd op dezelfde principes als waarop het menselijk gehoor is gebaseerd. In een analoog audiosysteem beginnen geluiden als fysieke golfvormen in de lucht, worden zij omgezet in een elektrische weergave van de golfvorm, via een omvormer (bijvoorbeeld een microfoon), en worden zij opgeslagen of doorgegeven. Om opnieuw in geluid te worden omgezet, wordt het proces omgekeerd, door middel van versterking en vervolgens omzetting terug in fysieke golfvormen via een luidspreker. Hoewel de aard van het signaal kan veranderen, blijven de fundamentele, golfachtige kenmerken onveranderd gedurende de opslag, transformatie, duplicatie en versterking. Alle analoge audiosignalen zijn gevoelig voor ruis en vervorming, als gevolg van de inherente ruis in elektronische circuits.

Digitale audio is de technologie van het weergeven van audio in digitale vorm. De digitale audioketen begint wanneer een analoog audiosignaal wordt omgezet in elektrische signalen – “aan/uit”-pulsen – in plaats van elektromechanische signalen. Dit signaal wordt vervolgens verder gecodeerd om eventuele fouten bij de opslag of transmissie van het signaal tegen te gaan. Deze “kanaalcodering” is essentieel voor het vermogen van het digitale systeem om het analoge signaal bij herhaling opnieuw weer te geven. Een voorbeeld van een kanaalcode is Acht- tot Veertien Bit Modulatie zoals gebruikt in de audio Compact Disc.

Een analoog signaal wordt omgezet in een digitaal signaal met een bepaalde bemonsteringsfrequentie en bitresolutie; het kan meerdere kanalen bevatten (2 kanalen voor stereo of meer voor surround sound). In het algemeen geldt: hoe hoger de bemonsteringsfrequentie en de bitresolutie, des te groter de natuurgetrouwheid, en des te groter de hoeveelheid digitale gegevens.

Geluidskwaliteit

Hoewel het doel van zowel analoge als digitale systemen is om audio perfect weer te geven, zijn er verschillende obstakels om dit doel te bereiken. Deze omvatten:

• Analoge ruisvloer in de opnameschakelingen, en hebben inherente capaciteit en inductie die de bandbreedte van het systeem beperken, en weerstand die de amplitude beperkt.
• Digitale kwantisatieruis in de opnameschakelingen, en de bemonsteringsfrequentie beperkt de bandbreedte en de bitresolutie beperkt het dynamisch bereik (resolutie van de amplitudevorming).

Om een betere getrouwheid te bereiken, zijn componenten van hogere kwaliteit nodig, waardoor de totale kosten toenemen.

Omzettingsproces

Een digitaal audiosignaal begint met een analoog-naar-digitaal omzetter (ADC) die een analoog signaal omzet in een digitaal signaal. De ADC werkt met een bemonsteringsfrequentie en converteert met een bekende bitresolutie. CD-audio heeft bijvoorbeeld een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz (44.100 samples per seconde) en een resolutie van 16 bits voor elk kanaal (stereo). Indien het analoge signaal nog niet bandgelimiteerd is, dan is vóór de conversie een anti-aliasing filter nodig om aliasing in het digitale signaal te voorkomen. (Aliasing treedt op wanneer frequenties boven de Nyquist-frequentie niet bandgelimiteerd zijn, en in plaats daarvan als hoorbare artefacten in de lagere frequenties verschijnen).

Een overzicht van het digitale <-> analoge conversieproces.

Sommige audiosignalen, zoals die welke door digitale synthese tot stand komen, vinden hun oorsprong geheel in het digitale domein; in dat geval vindt er geen analoog-digitaal conversie plaats.

Nadat het digitale signaal is bemonsterd met de ADC, kan het worden gewijzigd in een proces dat digitale signaalverwerking wordt genoemd, waarbij het kan worden gefilterd of waarbij effecten kunnen worden toegepast.

Het digitale audiosignaal kan vervolgens worden opgeslagen of verzonden.Digitale audio kan worden opgeslagen op een CD, een MP3-speler, een harde schijf, een USB-stick, CompactFlash of een ander digitaal opslagmedium. Compressietechnieken voor audiogegevens – zoals MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis, of Flac – worden vaak gebruikt om de bestandsgrootte te beperken.Digitale audio kan worden gestreamd naar andere apparaten.

De laatste stap voor digitale audio is om terug te worden geconverteerd naar een analoog signaal met een digitaal-naar-analoog converter (DAC).Net als ADC’s, DAC’s werken met een specifieke bemonsteringsfrequentie en bitresolutie, maar door de processen van oversampling, upsampling, en downsampling, kan deze bemonsteringsfrequentie niet hetzelfde zijn als de oorspronkelijke bemonsteringsfrequentie.

Geschiedenis van het gebruik van digitale audio bij commerciële opnamen

De commerciële digitale opname van klassieke en jazzmuziek begon in het begin van de jaren zeventig, als eerste door Japanse bedrijven als Denon, de BBC en het Britse platenlabel Decca (dat halverwege de jaren zeventig digitale audiorecorders van eigen ontwerp ontwikkelde voor het masteren van hun albums), hoewel er al vanaf de jaren zestig experimentele opnamen bestonden.

De eerste 16-bit PCM-opname in de Verenigde Staten werd gemaakt door Thomas Stockham bij de Santa Fe Opera in 1976, op een Soundstream-recorder. In de meeste gevallen kwam er geen mengfase aan te pas; er werd een stereo digitale opname gemaakt die ongewijzigd als master tape werd gebruikt voor latere commerciële uitgaven. Deze ongemengde digitale opnamen worden nog steeds aangeduid als DDD, omdat het om een zuiver digitale technologie gaat. (Ongemengde analoge opnamen worden gewoonlijk ADD genoemd om een enkele generatie analoge opnamen aan te duiden.)

Hoewel de allereerste digitale opname van een niet-klassiek muziekstuk, Morrissey-Mullen’s cover van de Rose Royce hit “Love Don’t Live Here Anymore” (uitgebracht in 1979 als een vinyl EP) werd opgenomen in 1978 in EMI’s Abbey Road opnamestudio’s, was het eerste volledig digitaal opgenomen (DDD) populaire muziekalbum Ry Cooder’s Bop Till You Drop, opgenomen in het najaar van 1978. Het album was niet gemixt en werd rechtstreeks opgenomen op een tweesporige 3M digitale recorder in de studio. Veel andere topartiesten waren vroege aanhangers van digitaal opnemen. Anderen, zoals voormalig Beatles-producer George Martin, vonden dat de digitale meersporenopnametechnologie van begin jaren tachtig nog niet zo geavanceerd was als de analoge systemen. Martin gebruikte echter digitale mixage om de vervorming en ruis te verminderen die een analoge mastertape zou introduceren (dus ADD). Een vroeg voorbeeld van een analoge opname die digitaal werd gemixt, is Tusk van Fleetwood Mac uit 1979.

Subjectieve evaluatie

Het beoordelen van de getrouwheid is een al lang bestaand probleem met audiosystemen in het algemeen. Hoewel audiosignalen met gespecialiseerde instrumenten kunnen worden gemeten en geanalyseerd volgens nauwkeurigere normen dan op het gehoor mogelijk is, kan uit dergelijke metingen niet altijd worden opgemaakt of bepaalde geluiden door een bepaalde luisteraar als “goed” of “slecht” worden beoordeeld. Parameters die van invloed zijn op de geluidskwaliteit zijn onder andere gehoorvermogen, persoonlijke voorkeuren, locatie ten opzichte van de luidsprekers, en de fysieke eigenschappen van de ruimte. Natuurlijk is subjectieve evaluatie niet uniek voor digitale audio. Digitale audio voegt echter meer elementen toe aan het debat, zoals lossy compressie-algoritmen en psychoakoestische modellen.

Digitale audiotechnologieën

• Digitale audio-omroep (DAB)
• Digitaal audio-werkstation
• Digitale audiospeler

Opslagtechnologieën:

• Digital Audio Tape (DAT)
• Compact disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• verschillende audio file formaten

Digitale audio interfaces

Audio specifieke interfaces omvatten:

• AC97 (Audio Codec 1997) interface tussen Geïntegreerde circuits op PC moederborden
• Intel High Definition Audio Een moderne vervanging voor AC97
• ADAT interface
• AES/EBU interface met XLR connectoren
• AES47, Professionele AES3 digitale audio over Asynchronous Transfer Mode netwerken
• I²S (Inter-IC geluid) interface tussen geïntegreerde schakelingen in consumentenelektronica
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI interconnect met lage bandbreedte voor het overbrengen van instrumentgegevens; kan geen geluid overdragen
• S/PDIF, hetzij over coaxkabel of TOSLINK
• TDIF, Tascam-eigen formaat met D-sub kabel
• Bluetooth via A2DP

Natuurlijk kan elke digitale bus (zoals USB, FireWire, en PCI) digitale audio overdragen.

Zie ook

• Compact Disc
• DVD
• Music
• Sound

• Borwick, John. 1996. Praktijk voor geluidsopnamen, 4e druk. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., and Barrie W. Jervis. 2002. Digitale Signaalverwerking: A Practical Approach, 2nd edition. Harlow, UK: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R., and Bernard Gold. 1975. Theory and Application of Digitale Signaalverwerking. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty, and Ray Dougherty. 1984. Digital Signal Processing. Reston, VA: Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. De kunst van digitale audio, 3e druk. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

Alle links opgehaald 23 oktober 2017.

• Digitale Audio. (Tutorial.)
• Inleiding tot de computermuziek: Deel één, hoofdstuk vijf: Digital Audio.

Logische poort | digitale schakeling | geïntegreerde schakeling (IC)

Theorie – booleaanse logica | digitale signaalverwerking | computerarchitectuur

Toepassingen – digitale fotografie | digitale audio | digitale video