Digitalt ljud

Sampling och 4-bitars kvantisering av en analog signal (röd) med hjälp av pulskodmodulering.

Digitalt ljud är en teknik som använder digitala signaler för ljudåtergivning. Den omfattar analog-till-digital konvertering, digital-till-analog konvertering, lagring och överföring.

Digitalt ljud har uppstått på grund av dess användbarhet vid inspelning, manipulering, massproduktion och distribution av ljud. Den moderna distributionen av musik över Internet genom nätbutiker är beroende av digital inspelning och digitala komprimeringsalgoritmer. Distribution av ljud som datafiler i stället för som fysiska objekt har avsevärt minskat distributionskostnaderna.

Översikt över digitalt ljud

Gå från analogt till digitalt

Från vaxcylindern till kompaktkassetten har lagring och återgivning av analog ljudmusik baserats på samma principer som den mänskliga hörseln bygger på. I ett analogt ljudsystem börjar ljudet som fysiska vågformer i luften, omvandlas till en elektrisk representation av vågformen via en transducer (t.ex. en mikrofon) och lagras eller överförs. För att återskapa ljudet går processen i motsatt riktning, genom förstärkning och sedan omvandling tillbaka till fysiska vågformer via en högtalare. Även om ljudets karaktär kan förändras förblir dess grundläggande, vågliknande egenskaper oförändrade under lagring, omvandling, duplicering och förstärkning. Alla analoga ljudsignaler är känsliga för brus och förvrängning på grund av det inneboende bruset i elektroniska kretsar.

Digitalt ljud är tekniken för att representera ljud i digital form. Den digitala ljudkedjan börjar när en analog ljudsignal omvandlas till elektriska signaler – ”on/off”-pulser – i stället för elektromekaniska signaler. Denna signal kodas sedan ytterligare för att bekämpa eventuella fel som kan uppstå vid lagring eller överföring av signalen. Denna ”kanalkodning” är avgörande för det digitala systemets förmåga att återskapa den analoga signalen vid återgivning. Ett exempel på en kanalkod är den modulering med åtta till fjorton bitar som används i ljud-Compact Disc.

En analog signal omvandlas till en digital signal med en given samplingsfrekvens och bitupplösning; den kan innehålla flera kanaler (två kanaler för stereo eller fler för surroundljud). Generellt sett gäller att ju högre samplingsfrekvens och bitupplösning, desto högre fidelitet, liksom högre mängd digitala data.

Ljudkvalitet

Och även om målet för både analoga och digitala system är att återge ljudet perfekt, finns det flera hinder för att uppnå detta mål. De inkluderar:

• Analogt brusgolv i den upptagande kretsen, och har inneboende kapacitans och induktans som begränsar systemets bandbredd, och motstånd som begränsar amplituden.
• Digitalt kvantiseringsbrus i den upptagande kretsen, och samplingsfrekvensen begränsar bandbredden och dess bitupplösning begränsar det dynamiska omfånget (upplösningen av amplitudens skapande).

För att uppnå bättre fidelitet krävs komponenter av högre kvalitet, vilket ökade den totala kostnaden.

Konverteringsprocess

En digital ljudsignal börjar med en analog-till-digitalomvandlare (ADC) som omvandlar en analog signal till en digital signal. ADC:n körs med en samplingsfrekvens och konverterar med en känd bitupplösning. CD-ljud har till exempel en samplingsfrekvens på 44,1 kHz (44 100 samplingar per sekund) och 16-bitars upplösning för varje kanal (stereo). Om den analoga signalen inte redan är bandbegränsad krävs ett antialiasingfilter före konverteringen för att förhindra aliasing i den digitala signalen. (Aliasing uppstår när frekvenser över Nyquist-frekvensen inte har bandbegränsats och istället visas som hörbara artefakter i de lägre frekvenserna).

En översikt över den digitala <-> analoga omvandlingsprocessen.

Vissa ljudsignaler, t.ex. de som skapas genom digital syntes, har sitt ursprung helt och hållet i den digitala domänen, och i så fall äger inte någon analog-till-digital konvertering rum.

Efter att ha samplats med ADC:n kan den digitala signalen sedan ändras i en process som kallas digital signalbehandling där den kan filtreras eller få effekter applicerade.

Den digitala ljudsignalen kan sedan lagras eller överföras.Digital ljudlagring kan ske på en CD, en MP3-spelare, en hårddisk, ett USB-flashminne, CompactFlash eller någon annan digital datalagringsenhet.Tekniker för komprimering av ljuddata – t.ex. MP3, Advanced Audio Coding, Ogg Vorbis eller Flac – används ofta för att minska filstorleken.Digitalt ljud kan streamas till andra enheter.

Det sista steget för digitalt ljud är att konverteras tillbaka till en analog signal med en digital-till-analog-omvandlare (DAC).Liksom ADC:er körs DAC:er med en specifik samplingsfrekvens och bitupplösning, men genom processerna över-, upp- och nedprovning kan denna samplingsfrekvens vara annorlunda än den ursprungliga samplingsfrekvensen.

Historia om användning av digitalt ljud vid kommersiell inspelning

Den kommersiella digitala inspelningen av klassisk musik och jazzmusik började i början av 1970-talet, med japanska företag som Denon, BBC och det brittiska skivbolaget Decca som pionjärer (som i mitten av 1970-talet utvecklade digitala ljudinspelare av egen design för att mastra sina skivor), även om experimentella inspelningar existerade från 1960-talet.

Den första 16-bitars PCM-inspelningen i USA gjordes av Thomas Stockham på Santa Fe Opera 1976, på en Soundstream-inspelare. I de flesta fall var inget blandningssteg inblandat; en digital stereoinspelning gjordes och användes oförändrad som masterband för efterföljande kommersiell utgivning. Dessa oblandade digitala inspelningar beskrivs fortfarande som DDD eftersom tekniken är rent digital. (Oblandade analoga inspelningar brukar också beskrivas som ADD för att beteckna en enda generation av analog inspelning.)

Och även om den första digitala inspelningen någonsin av ett icke-klassiskt musikstycke, Morrissey-Mullens cover av Rose Royce-hiten ”Love Don’t Live Here Anymore” (som släpptes 1979 som en vinyl-EP), spelades in 1978 i EMI:s inspelningsstudior Abbey Road, så var det första helt och hållet digitalt inspelade (DDD) albumet med populärmusik Ry Cooder’s Bop Till You Drop, som spelades in i slutet av 1978. Det var oblandat och spelades in direkt på en tvåspårig 3M-digitalinspelare i studion. Många andra toppartister var tidiga användare av digital inspelning. Andra, till exempel George Martin, tidigare producent för Beatles, ansåg att den digitala inspelningstekniken med flera spår i början av 1980-talet inte hade nått upp till de analoga systemens nivå. Martin använde dock digital mixning för att minska den distorsion och det brus som ett analogt masterband skulle föra med sig (alltså ADD). Ett tidigt exempel på en analog inspelning som mixades digitalt är Fleetwood Macs utgivning Tusk från 1979.

Subjektiv utvärdering

Fidelitetsutvärdering är ett långvarigt problem med ljudsystem i allmänhet. Även om ljudsignaler kan mätas och analyseras av specialiserade instrument enligt mer exakta standarder än vad som kan göras med örat, avslöjar sådana mätningar inte alltid om vissa ljud utvärderas som ”bra” eller ”dåliga” av en viss lyssnare. Parametrar som påverkar ljudkvaliteten är bland annat hörselförmåga, personliga preferenser, placering i förhållande till högtalarna och rummets fysiska egenskaper. Subjektiva bedömningar är naturligtvis inte unika för digitalt ljud. Med digitalt ljud kommer dock fler saker in i debatten, t.ex. algoritmer för förlustkomprimering och psykoakustiska modeller.

Digital ljudteknik

• Digital Audio Broadcasting (DAB)
• Digital audio workstation
• Digital audio player

Lagringsteknik:

• Digital Audio Tape (DAT)
• Compact disc (CD)
• DVD DVD-A
• MiniDisc
• Super Audio CD
• Varierda ljudfilformat

Digitala ljudgränssnitt

Audiospecifika gränssnitt inkluderar:

• AC97 (Audio Codec 1997) gränssnitt mellan integrerade kretsar på PC-moderkort
• Intel High Definition Audio En modern ersättning för AC97
• ADAT-gränssnitt
• AES/EBU-gränssnitt med XLR-kontakter
• AES47, Professionellt AES3 digitalt ljud över Asynchronous Transfer Mode-nätverk
• I²S (Inter-IC sound) gränssnitt mellan integrerade kretsar i konsumentelektronik
• MADI Multichannel Audio Digital Interface
• MIDI samtrafik med låg bandbredd för överföring av instrumentdata; kan inte överföra ljud
• S/PDIF, antingen via koaxialkabel eller TOSLINK
• TDIF, Tascams eget format med D-sub-kabel
• Bluetooth via A2DP

Naturligtvis kan alla digitala bussar (t.ex. USB, FireWire och PCI) överföra digitalt ljud.

Se även

• Compact Disc
• DVD
• Musik
• Ljud

• Borwick, John. 1996. Sound Recording Practice, 4:e upplagan. Oxford: Oxford University Press. ISBN 0198166087.
• Ifeachor, Emmanuel C., and Barrie W. Jervis. 2002. Digital signalbehandling: A Practical Approach, andra upplagan. Harlow, Storbritannien: Prentice Hall. ISBN 0201596199.
• Rabiner, Lawrence R. och Bernard Gold. 1975. Teori och tillämpning av digital signalbehandling. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. ISBN 0139141014.
• Stanley, William D., Gary R. Dougherty och Ray Dougherty. 1984. Digital Signal Processing. Reston, VA: Reston Pub. Co. ISBN 083591321X.
• Watkinson, John. 2005. The Art of Digital Audio, tredje upplagan. Oxford: Focal Press. ISBN 0240515870.

Alla länkar hämtade 23 oktober 2017.

• Digital Audio. (Handledning.)
• Introduktion till datormusik: Volym ett, kapitel fem: Digital Audio.

Logisk grind | digital krets | integrerad krets (IC)

Teori – boolesk logik | digital signalbehandling | datorarkitektur

Tillämpningar – digital. fotografi | digitalt ljud | digital video