Digital lyd
Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den
version , der blev gennemgået den 8. december 2021; verifikation kræver
1 redigering .
Digital lyd er resultatet af at konvertere et analogt lydsignal til et digitalt lydformat .
Den enkleste konverteringsmetode, pulskodemodulation (PCM), består i at præsentere en sekvens af øjeblikkelige signalniveauer målt af en analog-til-digital konverter ( ADC ) med regelmæssige intervaller.
En variation af PCM er deltamodulation , hvor signalet i hvert prøvetidspunkt sammenlignes med en savtandspænding ved hvert prøvetagningstrin .
Sigma-delta modulation '- en metode til signalrepræsentation baseret på princippet om oversampling og kvantisering af støjgenerering , giver dig mulighed for at reducere støjniveauet .
Moderne metoder bruger mere komplekse transformationsalgoritmer . Udover at repræsentere lydvibrationer i digital form, bruges også skabelsen af specielle kommandoer til automatisk afspilning på forskellige elektroniske musikinstrumenter. Det klareste eksempel på sådan teknologi er MIDI .
Fordelene ved en bitkode bruges til transmission af et kodet signal over en afstand, signalkryptering , signal digital signatur, gendannelse af tab forårsaget af transmissionsinterferens, såvel som i andre applikationer.
Digital lydoptagelse er en teknologi til at konvertere analog lyd til digital lyd for at gemme den på et fysisk medie, så det optagede signal kan gengives senere.
Præsentationen af lyddata i digital form giver dig mulighed for meget effektivt at ændre kildematerialet ved hjælp af specielle enheder eller computerprogrammer - lydredigerere , som er meget udbredt i industrien, medieindustrien og hverdagen.
For at gengive digital lyd bruges specialudstyr, såsom musikcentre , digitale afspillere , computere med lydkort og installeret software: lydafspiller eller medieafspiller .
Historie
- I 1928 bestemte Harry Nyquist i sit arbejde "Certain Problems in the Theory of Telegraph Transmission" den nødvendige båndbredde for en kommunikationslinje til at transmittere et pulserende signal - grundlaget for digital lyd [1]
- I 1933 foreslog og beviste V. A. Kotelnikov i sit arbejde "Om gennemstrømningen af ether og tråd i telekommunikation" Kotelnikovs teorem , ifølge hvilket et analogt signal med et begrænset spektrum kan gendannes unikt og uden tab fra dets diskrete prøver taget med en frekvens strengt taget større end det dobbelte af spektrets maksimale frekvens [2]
- I 1937 patenterede den britiske videnskabsmand Alec Reeves den første beskrivelse af pulskodemodulation [3]
- I 1948 udgav Claude Shannon "Mathematical Theory of Communication" [4] , og i 1949 - "Datatransmission i nærvær af støj", hvor han uafhængigt af Kotelnikov beviste en sætning med lignende resultater som Kotelnikovs sætning , derfor i Vestlig litteratur kaldes denne sætning ofte for Shannons sætning. [5]
- I 1950 udgav Richard Hamming et papir om fejlfinding og korrektion [6]
- I 1952 oprettede David Huffman en kodningsalgoritme for minimum redundanspræfiks (kendt som Huffman-algoritmen eller kode ) [6]
- I 1959 oprettede Alex Hockwingham fejlkorrektionskoden nu kendt som Bowes-Chowdhury-Hockwingham-koden [6]
- I 1960 opfandt Irwin Reid og Gustav Solomon, ansatte ved Lincoln Laboratory ved Massachusetts Institute of Technology, Reed-Solomon-koden [6]
- I 1967 introducerede NHK Technical Research Institute den første digitale spole-til-hjul stereooptager på 1-tommers videobånd. Enheden brugte PCM -optagelse med en bitdybde på 12-bit og en samplinghastighed på 30 kHz ved hjælp af en compander til at udvide det dynamiske område [6]
- I 1969 introducerede Sony en 13-bit digital stereooptager med en samplinghastighed på 47,25 kHz, optaget på 2-tommer videobånd [6]
- I 1972 blev det første album optaget fra et digitalt masterbånd af Nippon Columbia udgivet [7]
- I 1977 demonstrerede Mitsubishi , Sony og Hitachi på Tokyo Audio Exhibition prototyper af digitale fonografplader eller lyddiske [6]
- I 1979 demonstrerede Philips i Europa en prototype-cd med en diameter på 115 mm, med det formål at gøre den til en verdensstandard. 14-bit optagelse ved 44.050 kHz passede ikke Sony, som tilbød 16-bit optagelse ved 50 kHz, men i sidste ende blev det på grund af formatbegrænsninger besluttet at vælge en samplinghastighed på 44.1 kHz og øge diskstørrelsen til 120 mm. Disken er i stand til at holde 74 minutters optagelse.
- I 1980 blev CD- standarden officielt foreslået, men det tog to år for alle godkendelser og forbedringer [6]
- I 1982 blev CD -systemstandarden vedtaget i Europa og Japan [6]
- Også i 1982 blev der introduceret et digitalt lydoptagelsesformat til spolebånd DASH , foreslået af Sony til multi-kanal studieoptagelse.
- I 1987 introducerede Sony og Philips det digitale kompakte DAT -kassetteformat.
- I 1992 introducerede Philips og Matsushita Digital Compact Cassette -formatet ved hjælp af MPEG1 lag 1-komprimering.
- Også i 1992 introducerede Sony det personlige MiniDisc -lydsystem og SDDS -biografsystemet baseret på ATRAC -komprimeringsalgoritmen.
- I 1999 udviklede Sony og Philips SACD- standarden.
- DVD-Audio- format introduceret i 2000
Princippet om digital lydoptagelse ved metoden med periodisk sampling og signalkvantisering
Princippet om digital repræsentation af lydoptagelsesvibrationer er ret simpelt:
Funktionsprincippet for ADC er også ret simpelt: det analoge signal, der modtages fra mikrofoner og elektriske musikinstrumenter, konverteres til et digitalt. Denne transformation omfatter følgende operationer:
- Båndbegrænsning udføres ved hjælp af et lavpasfilter til at undertrykke spektrale komponenter, hvis frekvens overstiger halvdelen af samplingsfrekvensen.
- Diskretisering i tid, det vil sige udskiftning af et kontinuerligt analogt signal med en sekvens af dets værdier på diskrete tidspunkter - prøver. Dette problem løses ved at bruge et specielt kredsløb ved indgangen til ADC'en - en sample-and-hold-enhed .
- Niveaukvantisering er erstatningen af signalprøveværdien med den nærmeste værdi fra et sæt faste værdier - kvantiseringsniveauer.
- Indkodning eller digitalisering, som et resultat af hvilken værdien af hver kvantiseret prøve er repræsenteret som et tal svarende til ordenstallet for kvantiseringsniveauet.
Dette gøres på følgende måde: et kontinuerligt analogt signal "skæres" i sektioner, med en samplingsfrekvens opnås et digitalt diskret signal, som går gennem kvantiseringsprocessen med en vis bitdybde, og derefter kodes, dvs. erstattes ved en sekvens af kodesymboler. Til lydoptagelse af høj kvalitet i frekvensbåndet på 20-20.000 Hz bruges den mindste standard samplinghastighed på 44,1 kHz og højere (på nuværende tidspunkt er ADC'er og DAC'er med samplingshastigheder på 192,3 og endda 384,6 kHz dukket op). For at opnå en optagelse af ret høj kvalitet er en bitdybde på 16 bit tilstrækkelig, men for at udvide det dynamiske område og forbedre kvaliteten af lydoptagelsen bruges en bitdybde på 24 (sjældent 32) bit.
Støjkorrektion og kanalkodning
Støjkorrigerende kodning gør det muligt under signalafspilning at identificere og eliminere (eller reducere hyppigheden af deres forekomst) læsefejl fra mediet. For at gøre dette, under optagelsesprocessen, tilføjes kunstig redundans (kontrolbits) til prøverne opnået ved udgangen af ADC'en, hvilket efterfølgende hjælper med at genoprette den beskadigede prøve. Lydoptagelsesenheder bruger typisk en kombination af to eller tre fejlkorrigerende koder. Hvis det valgte niveau af kodningsredundans ikke tillader at gendanne den korrekte værdi af referencen, erstattes den af interpolation for at udelukke forekomsten af en pludselig ændring i signalniveauet (klik).
Interleaving bruges også til bedre at beskytte mod burst-fejl forårsaget af mediekorruption (cd-ridser, magnetbåndfoldninger) .
Hjælpedata føjes også til det nyttige signal for at lette efterfølgende afkodning. Disse kan være tidskodesignaler , servicesignaler, synkroniseringssignaler.
Kanalkodning bruges til at matche digitale signaler med transmissionskanalens parametre (optagelse/afspilning). For eksempel, når du optager digitale signaler på et magnetisk medium, er det nødvendigt at udelukke udseendet af en konstant komponent og lavfrekvente komponenter af spektret i optagestrømmen (opstår, når lange sekvenser af nuller eller enere vises). For at gøre dette bruges konverteringstabeller, hvorefter ord fra m databit erstattes af ord fra n kanalbit, og altid n > m. I digitale signalafspilningsanordninger udtrækker kanaldekoderen kloksignaler fra den generelle datastrøm og omvendt konverterer n-bit kanalord til m-bit dataord. Efter fejlretning går signalet til DAC'en.
Funktionsprincippet for DAC'en
Det digitale signal, der modtages fra dekoderen, konverteres til analogt. Denne transformation foregår som følger:
- DAC-dekoderen konverterer talsekvensen til et diskret kvantiseret signal
- Ved udjævning i tidsdomænet genereres et tidskontinuerligt signal fra diskrete samples
- Den endelige signalgendannelse udføres ved at undertrykke sidespektre i et analogt lavpasfilter.
Digitale lydoptagelsesmetoder
I henhold til optagelsesprincippet skelnes følgende metoder:
- Magnetisk lydoptagelse - digitale signaler optages på magnetbånd. Der er to typer poster:
- linje-for-linje optagelsessystem - hvor båndet bevæger sig langs en blok af faste magnetiske optage-/afspilningshoveder ( DASH , DCC )
- skrå linjeoptagelsessystem - hvor båndet bevæger sig langs tromlen af roterende magnethoveder og optagelsen udføres skråt af separate spor, hvilket giver større tæthed end det langsgående linjeoptagelsessystem. ( R-DAT , ADAT og tidlige systemer bestående af en PCM set-top-boks og videobåndoptager)
- Magneto-optisk optagelse - optagelse udføres ved hjælp af et magnetisk hoved på et specielt magneto-optisk lag og opvarmes i magnetiseringsøjeblikket kortvarigt af en laser til Curie-punkttemperaturen. ( Minidisk , Hi-MD )
- Laseroptagelse - optagelse udføres af en laserstråle, som brænder fordybninger (gruber) på det lysfølsomme lag af det optiske medium . ( CD , DVD-Audio , DTS , SACD )
- Optisk (fotografisk) lydoptagelse er baseret på virkningen af en lysflux på et lysfølsomt lag af en bærer (filmstrimmel). ( Dolby Digital , SDDS )
- Lydoptagelse på elektroniske medier - lyddata optages ved hjælp af en personlig computer som filer på forskellige medier ( harddiske , genskrivbare optiske diske , flash-kort , solid state-drev ), mens der ikke er nogen begrænsning på den obligatoriske overensstemmelse mellem lydformatet og medieformat.
På digitale medier og i personlige computere bruges forskellige formater til at gemme lyd (musik, stemme osv.) , så du kan vælge et acceptabelt forhold mellem komprimering , lydkvalitet og datavolumen.
Populære filformater til personlige computere og relaterede enheder:
Lyde kan optages ved hjælp af en mikrofon, som konverterer lydvibrationer i luften til et elektrisk signal. Dette signal kan så kvantificeres, men digitaliseringen skal omfatte kvantificeringsstørrelse (volumen) og tid.
Lidt mere om de forskellige lydfilformater:
- WAV (udtales som det engelske ord "wave") er et format, der gemmer den digitaliserede værdi hver gang. Dette resulterer i en masse data til mellemfristede registreringer. Andre formater bruger til gengæld nogle datakomprimeringsmetoder. WAV-formatet er meget populært og udbredt i professionelle applikationer, der behandler digitaliserede lydsignaler. Blandt fordelene - god lydkvalitet; understøttet i browsere uden et plugin. Men ulemperne ved formatet er, at lyddataene typisk er gemt i et råt, ukomprimeret format, så filerne er normalt store.
- MP3 er et andet populært lyddigitaliseringsformat, der fjerner dele af lydsignalet, som det menneskelige øre ikke nemt kan høre. Den resulterende lyd lyder stadig næsten nøjagtig som originalen, men med betydeligt færre bits. Dette gør dette format populært at bruge, især på internettet, da mange brugere ønsker musik i høj kvalitet, men med relativt korte downloadtider. Blandt manglerne ved formatet bemærker brugerne muligheden for, at en selvstændig afspiller eller browser plug-in kan være påkrævet for at afspille lydfilen.
- AAC -formatet ( Advanced Audio Coding) minder meget om den førnævnte understøttede MP3, men det blev designet som en efterfølger og tilbyder bedre kvalitet og mindre filstørrelser. Blandt ulemperne er, at filer kan kopibeskyttes, så brugeren er begrænset til godkendte enheder. Formatet bruges til iTunes-musik.
- Ogg Vorbis er et filformat designet til effektiv distribution af lydfiler over moderate båndbreddeforbindelser. Vorbis-kodning kan bruges ved højere bithastigheder for større nøjagtighed. Fordelene er, at programmet er gratis, åben standard; understøttet af nogle browsere (Firefox 3.5, Chrome 4 og Opera 10.5). Populariteten af dette format kom gradvist.
- FLAC (Free Lossless Audio Compression) er et filformat, der gemmer musik eller lyd i tabsfri kvalitet. Hvis filen er komprimeret, påvirker komprimeringen ikke kvaliteten af musikken på nogen måde, da data og behandling sker anderledes end i andre formater (f.eks. MP3).
- WMA (Windows Media Audio) er et licenseret filformat udviklet af Microsoft til lagring og udsendelse af lydmaterialer. WMA blev oprindeligt annonceret som et alternativ til MP3, men nu er efterfølgeren til MP3 AAC (brugt af den populære iTunes Store, som nævnt ovenfor). Fordele ved WMA - meget god lydkvalitet; meget brugt på internettet. Ulemper - filer kan beskyttes mod kopiering; Nogle enheder kræver, at du downloader afspilleren separat.
Det skal bemærkes, at for at afspille en digital lydfil, skal du bruge noget ekstra software, såsom lydafspillere, lydplugins og lydsoftware.
Parametre, der påvirker kvaliteten af digital lyd
De vigtigste parametre, der påvirker kvaliteten af digital lydoptagelse er:
Også vigtige er parametrene for den analoge vej for digitale lydoptagelses- og afspilningsenheder:
Digital lydteknologi
Digital lydoptagelse udføres i øjeblikket i optagestudier, under kontrol af personlige computere og andet dyrt udstyr af høj kvalitet. Konceptet med et "hjemmestudie" er også ret bredt udviklet, hvor der bruges professionelt og semi-professionelt optageudstyr, som giver dig mulighed for at skabe højkvalitetsoptagelser derhjemme.
Lydkort bruges som en del af computere , der behandler deres ADC'er og DAC'er - oftest i 24 bit og 96 kHz, øger en yderligere stigning i bitdybde og samplinghastighed praktisk talt ikke optagekvaliteten.
Der er en hel klasse af computerprogrammer - lydeditorer , der giver dig mulighed for at arbejde med lyd:
- optage indgående lydstream
- skabe (generere) lyd
- ændre en eksisterende optagelse (tilføj samples , skift klang , lydhastighed , klip dele osv.)
- omskrive fra et format til et andet
- konvertere forskellige lyd-codecs
Nogle simple programmer giver dig kun mulighed for at konvertere formater og codecs.
Nogle typer digital lyd i sammenligning
| Formatnavn
|
Lidt dybde, lidt
|
Samplingfrekvens, kHz
|
Antal kanaler
|
Diskdatastrøm, kbit/s
|
Kompression/pakningsforhold
|
| CD |
16 |
44,1 |
2 |
1411,2
|
1:1 tabsfrit
|
| Dolby Digital (AC3) |
16-24 |
48
|
6 |
op til 640 |
~12:1 tabt
|
| DTS |
20-24 |
48; 96 |
op til 8 |
før 1536
|
~3:1 tabt
|
| DVD lyd |
16; tyve; 24 |
44,1; 48; 88,2; 96 |
6 |
6912
|
2:1 tabsfrit
|
| DVD lyd |
16; tyve; 24 |
176,4; 192 |
2 |
4608
|
2:1 tabsfrit
|
| MP3 |
flydende |
op til 48 |
2 |
op til 320
|
~11:1 tabt
|
| AAC |
flydende |
op til 96 |
op til 48 |
op til 529
|
med tab
|
| AAC+ ( SBR ) |
flydende |
op til 48 |
2 |
op til 320
|
med tab
|
| Ogg Vorbis |
op til 32 |
op til 192 |
op til 255 |
op til 1000
|
med tab
|
| WMA |
op til 24 |
op til 96 |
op til 8 |
op til 768
|
2:1, der er en tabsfri version
|
Se også
Noter
- ↑ H. Nyquist, "Certain topics in telegraph transmission theory," Trans. AIEE, bind. 47, s. 617-644, apr. 1928
- ↑ Kotelnikov V. A. Om gennemstrømningen af "ether" og tråd i telekommunikation // Uspekhi fizicheskikh nauk : Journal. - 2006. - Nr. 7 . - S. 762-770 .
- ↑ Robertson, David. Alec Reeves 1902-1971 Privateline.com: Telefonhistorie arkiveret 11. maj 2014. (Engelsk)
- ↑ Claude Shannon - Matematisk teori om kommunikation
- ↑ C.E. Shannon. Kommunikation i nærvær af støj. Proc. Institut for Radioingeniører. Vol. 37. Nej. 1. S. 10-21. Jan. 1949.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Compactdisken: en håndbog om teori og brug Forfattere: Ken C. Pohlmann
- ↑ Billboard 22. august 1981 - Japans denon-label 10-årig digital veteran
Litteratur
- Shkritek P. Referencevejledning til lydkredsløb: Pr. med tysk - M. Mir, 1991.-446 s.: ill.
- Zolotukhin I.P., Izyumov A.A., Raizman M.M. Digitale lydoptagere. - Tomsk: "Radio og kommunikation", 1990. - 160 s. — ISBN 5-256-00559-6 .
Links