Dźwięk cyfrowy

Próbkowanie i 4-bitowa kwantyzacja sygnału analogowego (czerwony) przy użyciu modulacji kodu impulsowego.

Digital audio to technologia, która wykorzystuje sygnały cyfrowe do odtwarzania dźwięku. Obejmuje ona konwersję analogowo-cyfrową, konwersję cyfrowo-analogową, przechowywanie i transmisję.

Digital audio pojawił się ze względu na jego przydatność w nagrywaniu, manipulacji, masowej produkcji i dystrybucji dźwięku. Nowoczesna dystrybucja muzyki przez Internet za pośrednictwem sklepów internetowych zależy od cyfrowego zapisu i cyfrowych algorytmów kompresji. Dystrybucja dźwięku jako plików danych, a nie jako obiektów fizycznych, znacznie zmniejszyła koszty dystrybucji.

Przegląd cyfrowego audio

Przejście od analogowego do cyfrowego

Od cylindra woskowego do kasety kompaktowej, analogowe przechowywanie i odtwarzanie muzyki audio opierało się na tych samych zasadach, na których opiera się ludzki słuch. W analogowym systemie audio, dźwięki zaczynają się jako fale fizyczne w powietrzu, są przekształcane w elektryczną reprezentację fali, poprzez przetwornik (na przykład mikrofon), i są przechowywane lub przesyłane. Aby odtworzyć dźwięk, proces ten jest odwracany, poprzez wzmocnienie, a następnie ponowne przekształcenie w fizyczną formę fali przez głośnik. Chociaż charakter sygnału może się zmieniać, jego fundamentalna, falowa charakterystyka pozostaje niezmieniona podczas jego przechowywania, przekształcania, powielania i wzmacniania. Wszystkie analogowe sygnały audio są podatne na szumy i zniekształcenia, ze względu na nieodłączny szum obecny w obwodach elektronicznych.

Cyfrowe audio to technologia reprezentowania dźwięku w formie cyfrowej. Cyfrowy łańcuch audio rozpoczyna się, gdy analogowy sygnał audio jest przekształcany w sygnały elektryczne – impulsy „włącz/wyłącz” – a nie w sygnały elektromechaniczne. Sygnał ten jest następnie dalej kodowany w celu wyeliminowania wszelkich błędów, które mogą wystąpić podczas przechowywania lub transmisji sygnału. To „kodowanie kanałów” jest niezbędne dla zdolności systemu cyfrowego do odtworzenia sygnału analogowego przy ponownym odtworzeniu. Przykładem kodu kanału jest modulacja od ośmiu do czternastu bitów używana w audio Compact Disc.

Sygnał analogowy jest konwertowany na sygnał cyfrowy przy danej częstotliwości próbkowania i rozdzielczości bitowej; może zawierać wiele kanałów (2 kanały dla stereo lub więcej dla dźwięku przestrzennego). Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa częstotliwość próbkowania i rozdzielczość bitowa, tym większa wierność, jak również większa ilość danych cyfrowych.

Jakość dźwięku

Choć celem zarówno systemów analogowych, jak i cyfrowych jest doskonała reprodukcja dźwięku, istnieje kilka przeszkód w osiągnięciu tego celu. Należą do nich:

• Analogowy szum w obwodzie przechwytującym, i mają nieodłączną pojemność i indukcyjność, które ograniczają szerokość pasma systemu, i rezystancję, która ogranicza amplitudę.
• Cyfrowy szum kwantyzacji w obwodzie przechwytującym, i częstotliwość próbkowania ogranicza szerokość pasma, a jego rozdzielczość bitowa ogranicza zakres dynamiczny (rozdzielczość tworzenia amplitudy).

W celu osiągnięcia lepszej wierności wymagane są komponenty wyższej jakości, co zwiększa ogólny koszt.

Proces konwersji

Cyfrowy sygnał audio zaczyna się od przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), który konwertuje sygnał analogowy na sygnał cyfrowy. ADC działa z częstotliwością próbkowania i konwertuje przy znanej rozdzielczości bitowej. Na przykład, dźwięk CD ma częstotliwość próbkowania 44,1 kHz (44 100 próbek na sekundę) i rozdzielczość 16 bitów dla każdego kanału (stereo). Jeśli sygnał analogowy nie jest jeszcze ograniczony pasmem, to przed konwersją konieczne jest zastosowanie filtra antyaliasingowego, aby zapobiec aliasingowi w sygnale cyfrowym. (Aliasing występuje, gdy częstotliwości powyżej częstotliwości Nyquista nie zostały ograniczone pasmem i zamiast tego pojawiają się jako słyszalne artefakty w niższych częstotliwościach).

Przegląd cyfrowego <-> procesu konwersji analogowej.

Niektóre sygnały audio, takie jak te utworzone przez syntezę cyfrową, pochodzą w całości z domeny cyfrowej, w którym to przypadku konwersja analogowa na cyfrową nie ma miejsca.

Po próbkowaniu z ADC, sygnał cyfrowy może być następnie zmieniony w procesie, który nazywa się cyfrowym przetwarzaniem sygnału, gdzie może być filtrowany lub mieć zastosowane efekty.

Cyfrowy sygnał audio może być następnie przechowywany lub przesyłany.Cyfrowe przechowywanie dźwięku może być na płycie CD, odtwarzaczu MP3, dysku twardym, pamięci USB, CompactFlash lub innym urządzeniu do przechowywania danych cyfrowych.Techniki kompresji danych audio – takie jak MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis, lub Flac – są powszechnie stosowane w celu zmniejszenia rozmiaru pliku.Dźwięk cyfrowy może być przesyłany strumieniowo do innych urządzeń.

Ostatnim krokiem dla dźwięku cyfrowego jest konwersja z powrotem na sygnał analogowy za pomocą przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).Podobnie jak przetworniki ADC, przetworniki DAC działają z określoną częstotliwością próbkowania i rozdzielczością bitową, ale poprzez procesy nadpróbkowania, upsamplingu i downsamplingu, ta częstotliwość próbkowania może nie być taka sama jak początkowa częstotliwość próbkowania.

Historia wykorzystania dźwięku cyfrowego w nagrywaniu komercyjnym

Komercyjne nagrywanie cyfrowe muzyki klasycznej i jazzowej rozpoczęło się we wczesnych latach siedemdziesiątych, a pionierami były japońskie firmy takie jak Denon, BBC i brytyjska wytwórnia płytowa Decca (która w połowie lat siedemdziesiątych opracowała cyfrowe rejestratory dźwięku własnej konstrukcji do masteringu swoich albumów), chociaż eksperymentalne nagrania istniały od lat sześćdziesiątych.

Pierwsze 16-bitowe nagranie PCM w Stanach Zjednoczonych zostało wykonane przez Thomasa Stockhama w Santa Fe Opera w 1976 roku, na rejestratorze Soundstream. W większości przypadków, nie było etapu mieszania zaangażowany; stereo nagranie cyfrowe zostało wykonane i używane bez zmian jako taśmy wzorcowej dla późniejszego wydania komercyjnego. Te niezmiksowane nagrania cyfrowe są nadal określane jako DDD, ponieważ technologia jest czysto cyfrowa. (Niezmiksowane nagrania analogowe są podobnie zwykle określane jako ADD, aby oznaczyć jedną generację zapisu analogowego.)

Pomimo, że pierwsze w historii cyfrowe nagranie utworu niebędącego muzyką klasyczną, cover Morrissey-Mullen hitu Rose Royce „Love Don’t Live Here Anymore” (wydany w 1979 roku jako winylowa EP-ka) został nagrany w 1978 roku w studiach nagraniowych Abbey Road firmy EMI, pierwszym całkowicie cyfrowo nagranym (DDD) albumem z muzyką popularną był Bop Till You Drop Ry Coodera, nagrany pod koniec 1978 roku. Był to album bez miksu, nagrany bezpośrednio w studiu na dwutorowy cyfrowy rejestrator 3M. Wielu innych czołowych artystów nagrywających płyty było wczesnymi zwolennikami zapisu cyfrowego. Inni, jak np. były producent Beatlesów George Martin, uważali, że technologia wielośladowego zapisu cyfrowego z początku lat 80-tych nie osiągnęła poziomu zaawansowania systemów analogowych. Martin używał jednak cyfrowego miksowania, aby zredukować zniekształcenia i szumy, które wprowadzałaby analogowa taśma-matka (stąd ADD). Wczesnym przykładem analogowego nagrania, które zostało cyfrowo zmiksowane, jest wydany w 1979 roku album Fleetwood Mac, Tusk.

Ocena subiektywna

Ocena wierności jest od dawna związaną kwestią z systemami audio w ogóle. Chociaż sygnały audio mogą być mierzone i analizowane przez specjalistyczne instrumenty do bardziej dokładnych standardów niż te, które mogą być wykonane przez ucho, takie pomiary nie zawsze ujawniają, czy pewne dźwięki są oceniane jako „dobre” lub „złe” przez danego słuchacza. Parametry, które odnoszą się do jakości dźwięku obejmują możliwości słuchowe, osobiste preferencje, lokalizację w stosunku do głośników oraz właściwości fizyczne pomieszczenia. Oczywiście, subiektywna ocena nie jest czymś wyjątkowym w przypadku cyfrowego audio. Jednakże, cyfrowe audio dodaje więcej elementów do debaty, takich jak algorytmy kompresji stratnej i modele psychoakustyczne.

Cyfrowe technologie audio

• Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Cyfrowa stacja robocza audio
• Cyfrowy odtwarzacz audio

Technologie przechowywania danych:

• Digital Audio Tape (DAT)
• Compact disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• różne formaty plików audio

Interfejsy cyfrowe audio

Interfejsy specyficzne dla audio obejmują:

• AC97 (Audio Codec 1997) interfejs między układami scalonymi na płytach głównych komputerów PC
• Intel High Definition Audio Nowoczesny zamiennik AC97
• InterfejsADAT
• Interfejs AES/EBU ze złączami XLR
• AES47, Profesjonalny cyfrowy dźwięk AES3 w sieciach Asynchronous Transfer Mode
• I²S (Inter-IC sound) interfejs między układami scalonymi w elektronice użytkowej
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI niskopasmowy interkonekt do przenoszenia danych o instrumentach; nie może przenosić dźwięku
• S/PDIF, albo przez kabel koncentryczny albo TOSLINK
• TDIF, własny format Tascam z kablem D-sub
• Bluetooth przez A2DP

Naturalnie, każda magistrala cyfrowa (taka jak USB, FireWire, i PCI) może przenosić cyfrowy dźwięk.

Zobacz także

• Compact Disc
• DVD
• Muzyka
• Dźwięk

• Borwick, John. 1996. Sound Recording Practice, 4th edition. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., and Barrie W. Jervis. 2002. Digital Signal Processing: A Practical Approach, 2nd edition. Harlow, UK: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R., and Bernard Gold. 1975. Theory and Application of Digital Signal Processing. 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. The Art of Digital Audio, 3rd edition. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

All links retrieved October 23, 2017.

• Digital Audio. (Tutorial.)
• Wprowadzenie do muzyki komputerowej: Volume One, Chapter Five: Digital Audio.

Bramka logiczna | układ cyfrowy | układ scalony (IC)

Teoria – logika boole’a | cyfrowe przetwarzanie sygnałów | architektura komputerowa

Zastosowania – fotografia cyfrowa | cyfrowe audio | cyfrowe wideo fotografia cyfrowa | cyfrowe audio | cyfrowe wideo

.