Цифровое аудио — это представление звука, записанного в цифровой форме или преобразованного в нее . В цифровом аудио звуковая волна аудиосигнала обычно кодируется в виде числовых сэмплов в непрерывной последовательности. Например, в аудио компакт-дисках сэмплы берутся 44 100 раз в секунду , каждый с разрешением 16 бит . Цифровое аудио — это также название всей технологии записи и воспроизведения звука с использованием аудиосигналов , закодированных в цифровой форме. После значительных достижений в области цифровой аудиотехнологии в 1970-х и 1980-х годах она постепенно заменила аналоговую аудиотехнологию во многих областях аудиотехники , звукозаписывающего производства и телекоммуникаций в 1990-х и 2000-х годах.
В цифровой аудиосистеме аналоговый электрический сигнал, представляющий звук, преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой сигнал, обычно с использованием импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Затем этот цифровой сигнал можно записывать, редактировать, изменять и копировать с помощью компьютеров , аудиоустройств и других цифровых инструментов. Для воспроизведения цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет обратный процесс, преобразуя цифровой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который затем отправляется через усилитель мощности звука и в конечном итоге на громкоговоритель .
Цифровые аудиосистемы могут включать в себя компоненты сжатия , хранения , обработки и передачи . Преобразование в цифровой формат обеспечивает удобную обработку, хранение, передачу и извлечение аудиосигнала. В отличие от аналогового аудио, в котором копирование записи приводит к потере генерации и ухудшению качества сигнала, цифровое аудио позволяет делать бесконечное количество копий без какого-либо ухудшения качества сигнала.
Цифровые аудиотехнологии используются для записи, обработки, массового производства и распространения звука, включая записи песен , инструментальных произведений, подкастов , звуковых эффектов и других звуков. Современная онлайн-распространение музыки зависит от цифровой записи и сжатия данных . Доступность музыки в виде файлов данных, а не физических объектов, значительно снизила стоимость распространения, а также упростила обмен копиями. [1] До появления цифрового аудио музыкальная индустрия распространяла и продавала музыку, продавая физические копии в виде пластинок и кассет . С помощью цифровых аудиосистем и систем онлайн-распространения, таких как iTunes , компании продают потребителям цифровые звуковые файлы, которые потребитель получает через Интернет. Популярные потоковые сервисы, такие как Apple Music , Spotify или YouTube , предлагают временный доступ к цифровому файлу и в настоящее время являются наиболее распространенной формой потребления музыки. [2]
Аналоговая аудиосистема преобразует физические формы звуковых волн в электрические представления этих форм волн с помощью преобразователя , например микрофона . Затем звуки сохраняются на аналоговом носителе, например магнитной ленте , или передаются через аналоговую среду, например телефонную линию или радио . Для воспроизведения процесс обратный: электрический звуковой сигнал усиливается , а затем преобразуется обратно в физические формы волн с помощью громкоговорителя . Аналоговый звук сохраняет свои основные волнообразные характеристики на протяжении всего хранения, преобразования, копирования и усиления.
Аналоговые аудиосигналы подвержены шуму и искажениям из-за внутренних характеристик электронных схем и связанных с ними устройств. Нарушения в цифровой системе не приводят к ошибке, если только они не настолько велики, чтобы привести к неправильной интерпретации символа как другого символа или нарушению последовательности символов. Поэтому, как правило, возможно иметь полностью свободную от ошибок цифровую аудиосистему, в которой не вносится шум или искажение между преобразованием в цифровой формат и преобразованием обратно в аналоговый. [a]
Цифровой аудиосигнал может быть закодирован для исправления любых ошибок, которые могут возникнуть при хранении или передаче сигнала. Эта техника, известная как канальное кодирование , необходима для вещательных или записанных цифровых систем для поддержания точности битов. Модуляция восемь-четырнадцать — это канальный код, используемый для аудио компакт-диска (CD).
Если аудиосигнал аналоговый, цифровая аудиосистема начинается с АЦП, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой. [b] АЦП работает с заданной частотой дискретизации и преобразует с известным разрешением бит. Например, аудио CD имеет частоту дискретизации 44,1 кГц (44 100 выборок в секунду) и разрешение 16 бит для каждого стереоканала . Аналоговые сигналы, которые еще не были ограничены по полосе пропускания, должны быть пропущены через фильтр сглаживания перед преобразованием, чтобы предотвратить искажение из-за наложения спектров , вызванное аудиосигналами с частотами выше частоты Найквиста (половина частоты дискретизации).
Цифровой аудиосигнал может храниться или передаваться. Цифровой звук может храниться на CD, цифровом аудиоплеере , жестком диске , USB-флэш-накопителе или любом другом устройстве хранения цифровых данных . Цифровой сигнал может быть изменен с помощью цифровой обработки сигнала , где он может быть отфильтрован или иметь эффекты . Преобразование частоты дискретизации , включая повышение и понижение частоты дискретизации, может использоваться для изменения сигналов, которые были закодированы с другой частотой дискретизации, на общую частоту дискретизации перед обработкой. Методы сжатия аудиоданных, такие как MP3 , Advanced Audio Coding (AAC), Opus , Ogg Vorbis или FLAC , обычно используются для уменьшения размера файла. Цифровой звук может передаваться по цифровым аудиоинтерфейсам, таким как AES3 или MADI . Цифровой звук может передаваться по сети с использованием аудио по Ethernet , аудио по IP или других стандартов и систем потокового мультимедиа .
Для воспроизведения цифровой звук должен быть преобразован обратно в аналоговый сигнал с помощью ЦАП. Согласно теореме о дискретизации Найквиста-Шеннона , с некоторыми практическими и теоретическими ограничениями, ограниченная по полосе версия исходного аналогового сигнала может быть точно восстановлена из цифрового сигнала.
Во время преобразования аудиоданные могут быть встроены с цифровым водяным знаком для предотвращения пиратства и несанкционированного использования. Водяные знаки создаются с использованием метода прямой последовательности расширенного спектра (DSSS). Затем аудиоинформация модулируется псевдошумовой (PN) последовательностью, затем формируется в частотной области и возвращается в исходный сигнал. Сила встраивания определяет силу водяного знака на аудиоданных. [4]
Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была изобретена британским ученым Алеком Ривзом в 1937 году. [5] В 1950 году Ч. Чапин Катлер из Bell Labs подал патент на дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (ДИКМ), [6] алгоритм сжатия данных . Адаптивная ДИКМ (АДИКМ) была представлена П. Каммиски, Никилом С. Джайантом и Джеймсом Л. Фланаганом в Bell Labs в 1973 году. [7] [8]
Перцептивное кодирование впервые было использовано для сжатия речевого кодирования с линейным предсказательным кодированием (LPC). [9] Первоначальные концепции LPC восходят к работе Фумитады Итакуры ( Университет Нагои ) и Шузо Сайто ( Nippon Telegraph and Telephone ) в 1966 году. [10] В 1970-х годах Бишну С. Атал и Манфред Р. Шредер в Bell Labs разработали форму LPC, называемую адаптивным предсказательным кодированием (APC), алгоритм перцептивного кодирования, который использовал маскирующие свойства человеческого уха, за которым в начале 1980-х годов последовал алгоритм линейного предсказания с кодовым возбуждением (CELP). [9]
Кодирование с использованием дискретного косинусного преобразования (DCT), метода сжатия с потерями, впервые предложенного Насиром Ахмедом в 1972 году, [11] [12] легло в основу модифицированного дискретного косинусного преобразования (MDCT), разработанного JP Princen, AW Johnson и AB Bradley в 1987 году. [13] MDCT является основой для большинства стандартов аудиокодирования , таких как Dolby Digital (AC-3), [14] MP3 ( MPEG Layer III), [15] [9] AAC, Windows Media Audio (WMA), Opus и Vorbis ( Ogg ). [14]
.JPG/1280px-Reel_to_reel_Hitachi_I_(1972).JPG)
PCM использовался в телекоммуникационных приложениях задолго до его первого использования в коммерческом вещании и записи. Коммерческая цифровая запись была впервые осуществлена в Японии NHK и Nippon Columbia и их брендом Denon в 1960-х годах. Первые коммерческие цифровые записи были выпущены в 1971 году. [16]
BBC также начала экспериментировать с цифровым звуком в 1960-х годах. К началу 1970 - х годов она разработала 2-канальный рекордер, а в 1972 году развернула цифровую систему передачи звука, которая связала их вещательный центр с их удаленными передатчиками. [16]
Первая 16-битная PCM-запись в США была сделана Томасом Стокхэмом в опере Санта-Фе в 1976 году на рекордере Soundstream . Улучшенная версия системы Soundstream использовалась для создания нескольких классических записей Telarc в 1978 году. Цифровой многодорожечный рекордер 3M, находившийся в разработке в то время, был основан на технологии BBC. Первым полностью цифровым альбомом, записанным на этой машине, был Bop till You Drop Рая Кудера в 1979 году. Британский лейбл звукозаписи Decca начал разработку собственных 2-дорожечных цифровых аудиорекордеров в 1978 году и выпустил первую европейскую цифровую запись в 1979 году. [16]
Популярные профессиональные цифровые многодорожечные рекордеры, произведенные Sony/Studer ( DASH ) и Mitsubishi ( ProDigi ) в начале 1980-х годов, помогли крупным звукозаписывающим компаниям принять цифровую запись. Машины для этих форматов также имели собственные встроенные транспорты, используя катушечную ленту шириной 1/4", 1/2" или 1", при этом аудиоданные записывались на ленту с помощью многодорожечной неподвижной головки. Адаптеры PCM позволяли осуществлять стереоцифровую аудиозапись на обычном видеомагнитофоне NTSC или PAL .
Появление в 1982 году компакт-дисков компаниями Philips и Sony популяризировало цифровое аудио среди потребителей. [16]
В начале 1990-х годов появилась технология ADAT , которая позволяла производить восьмидорожечную запись с частотой 44,1 или 48 кГц на кассетах S-VHS, а технология DTRS выполняла аналогичную функцию с лентами Hi8.
Такие форматы, как ProDigi и DASH, назывались форматами SDAT (цифровая аудиокассета со стационарной головкой), в отличие от форматов, таких как системы на базе адаптера PCM и цифровая аудиокассета (DAT), которые назывались форматами RDAT (цифровая аудиокассета со вращающейся головкой) из-за используемого в них процесса записи со спиральным сканированием.
Как и кассета DAT, машины ProDigi и DASH также поддерживали обязательную частоту дискретизации 44,1 кГц, но также и 48 кГц на всех машинах, и в конечном итоге частоту дискретизации 96 кГц. Они преодолели проблемы, из-за которых типичные аналоговые рекордеры не могли удовлетворить требования к полосе пропускания (диапазону частот) цифровой записи, за счет сочетания более высоких скоростей ленты, более узких зазоров головок, используемых в сочетании с лентами с металлическим составом, и распределения данных по нескольким параллельным дорожкам.
В отличие от аналоговых систем, современные цифровые звуковые рабочие станции и аудиоинтерфейсы позволяют использовать столько каналов с таким количеством различных частот дискретизации, сколько компьютер может эффективно использовать одновременно. Avid Audio и Steinberg выпустили первые программы для цифровых звуковых рабочих станций в 1989 году. [17] Цифровые звуковые рабочие станции значительно упрощают многодорожечную запись и микширование для больших проектов, что в противном случае было бы затруднительно при использовании аналогового оборудования.
Быстрое развитие и широкое внедрение цифровой телефонии PCM стало возможным благодаря технологии коммутируемых конденсаторов (SC) на основе металл-оксид-полупроводника (МОП) , разработанной в начале 1970-х годов. [18] Это привело к разработке микросхем кодека-фильтра PCM в конце 1970-х годов. [18] [19] Микросхема кодека-фильтра PCM на основе КМОП (комплементарных МОП) с кремниевым затвором , разработанная Дэвидом А. Ходжесом и В. К. Блэком в 1980 году, [18] с тех пор является отраслевым стандартом для цифровой телефонии. [18] [19] К 1990-м годам телекоммуникационные сети , такие как телефонная сеть общего пользования (PSTN), были в значительной степени оцифрованы с помощью кодеков-фильтров CMOS PCM VLSI ( сверхбольшой интеграции ), широко используемых в электронных коммутационных системах для телефонных станций , модемов на концах пользователей и ряда приложений цифровой передачи , таких как цифровая сеть с интеграцией услуг (ISDN), беспроводные телефоны и сотовые телефоны . [19]
Цифровое аудио используется в вещании аудио. Стандартные технологии включают цифровое аудиовещание (DAB), цифровое радио Mondiale (DRM), HD Radio и внутриполосное на канале (IBOC).
Цифровое аудио в приложениях записи хранится на аудиоспецифичных технологиях, включая CD, DAT, цифровую компакт-кассету (DCC) и мини-диск . Цифровое аудио может храниться в стандартных форматах аудиофайлов и храниться на жестком диске рекордера , Blu-ray или DVD-Audio . Файлы могут воспроизводиться на смартфонах, компьютерах или MP3-плеерах . Разрешение цифрового аудио измеряется в битовой глубине звука . Большинство форматов цифрового аудио используют разрешение 16 бит, 24 бит и 32 бит.
USB и IEEE 1394 (FireWire) для цифрового звука в реальном времени Исходный контент: упоминает популярность интерфейсов USB из-за их небольшого размера и простоты использования, а также IEEE 1394 для цифрового звука. Проверка релевантности: это напрямую относится к теме, так как USB и FireWire являются ключевыми интерфейсами для цифрового звука в реальном времени как в потребительских, так и в профессиональных аудиоприложениях. Действие: сохранить этот раздел как есть. 2. Аудио по Ethernet и профессиональные протоколы Исходный контент: упоминает различные протоколы аудио-по-Ethernet и аудио по IP в вещании и телефонии. Проверка релевантности: относится к профессиональным аудиосредам, где обычно используются Ethernet и аудиопротоколы на основе IP. Это охватывает системы как для вещательного (аудио по IP), так и для телефонного (VoIP) звука. Действие: сохранить ссылку на технологии аудио-по-Ethernet и аудио-по-IP, так как они весьма актуальны в профессиональном контексте. 3. TDIF (TASCAM Proprietary Format) Исходный контент: включает TDIF, формат TASCAM, с использованием кабелей D-sub. Проверка релевантности: это очень конкретное и релевантное упоминание в профессиональном звуке, особенно для многоканальных установок, где TDIF все еще используется в некоторых высококачественных аудиосистемах. Действие: сохранить эту информацию. 4. Проблемы с микрофоном и динамиком (Fix My Mic Speaker) Исходный контент: обсуждает проблему приглушенных звуков из-за пыли или воды, а также то, как инструмент «Fix My Mic Speaker» помогает очистить динамик и удалить воду. Проверка релевантности: этот раздел выглядит немного оторванным от остальной части технического контента по цифровым аудиоинтерфейсам. Кажется, он больше сосредоточен на устранении неполадок потребительских устройств (например, телефонов или ноутбуков), а не на профессиональном аудиооборудовании. Действие: раздел имеет отношение к проблемам со звуком, но в меньшей степени в контексте профессиональных аудиоинтерфейсов. Если основное внимание уделяется профессиональному оборудованию (на что указывает остальная часть контента), эту часть лучше поместить отдельно или опустить, если только вы не делаете более широкий акцент на обслуживании устройства. 5. Цифровые аудиоинтерфейсы Исходный контент: Перечисляет различные цифровые аудиоинтерфейсы, такие как A2DP, AC'97, ADAT, AES3 и т. д. Проверка релевантности: Этот раздел очень важен для общего обсуждения. Каждый из этих интерфейсов является неотъемлемой частью различных аудиоприложений, как в потребительских, так и в профессиональных условиях. Он охватывает широкий спектр типов интерфейсов, от потоковой передачи Bluetooth (A2DP) до многоканальных профессиональных стандартов (AES3, MADI, S/PDIF). Действие: Этот раздел хорошо вписывается и должен оставаться нетронутым, хотя его можно было бы немного упростить, чтобы избежать избыточности. Предложения по большей релевантности и потоку: Устранение неполадок микрофона и динамика: Поскольку статья в первую очередь посвящена аудиоинтерфейсам и профессиональным аудиотехнологиям, раздел «Почините мой микрофон и динамик» можно скорректировать, чтобы сделать его релевантным для профессионального аудиооборудования. Если вы хотите сохранить это в статье, попробуйте перефразировать это как краткое упоминание о том, как обслуживать устройство (например,Чистка разъемов и обеспечение защиты от воды/влаги важны для долговечности и качества профессиональных аудиоинтерфейсов и микрофонов.
Контекстная привязка: для поддержания связного потока рассмотрите возможность привязки раздела по устранению неполадок микрофона и динамика к более широкой теме обслуживания аудиооборудования для улучшения качества звука и обеспечения оптимального состояния всех частей системы (аппаратного и программного обеспечения).
Исправленный текст с измененной релевантностью: Цифровые аудиоинтерфейсы: USB, IEEE 1394 и другие протоколы USB и IEEE 1394 (FireWire) стали неотъемлемой частью цифрового звука в реальном времени на персональных компьютерах. Интерфейсы USB особенно популярны среди независимых звукорежиссеров и продюсеров благодаря своей компактной форме, универсальности и простоте использования. Эти интерфейсы используются в потребительском аудиооборудовании и поддерживают передачу звука на основе стандартов AES3.
Для более профессиональных установок, особенно в архитектурных и установочных приложениях, несколько протоколов audio-over-Ethernet обеспечивают высококачественную и надежную передачу звука по сетям. Эти технологии являются стандартными в секторе вещания, где audio over IP является предпочтительным для передачи цифрового звука через различные устройства и платформы. Кроме того, Voice over IP (VoIP) широко используется в телефонии для обеспечения цифровой голосовой связи с высокой точностью звука.
Специализированные форматы, такие как TDIF (собственный формат TASCAM, использующий кабели D-sub), также используются в многоканальных профессиональных аудиосредах, обеспечивая надежные аудиосоединения с высокой точностью передачи данных.
Обеспечение оптимального качества звука: обслуживание микрофона и динамика Чистый звук с микрофона и динамиков вашего устройства необходим для качественных звонков и воспроизведения звука. Как в бытовых, так и в профессиональных аудиосистемах такие распространенные проблемы, как накопление пыли или влаги в динамиках, могут привести к приглушенному или искаженному звуку. Если ваш микрофон или динамики не воспроизводят чистый звук, важно регулярно чистить и обслуживать оборудование. Инструменты, предназначенные для удаления пыли и влаги, такие как Fix My Mic Speaker, могут улучшить качество звука, устраняя засоры и выталкивая воду из области динамика.
Независимо от того, работаете ли вы с профессиональным аудиооборудованием или потребительскими устройствами, обеспечение отсутствия помех в области микрофона и динамика имеет решающее значение для сохранения качества звука. Пыль или вода могут снизить производительность, влияя как на долговечность оборудования, так и на чистоту звука.
Специальные цифровые аудиоинтерфейсы Помимо USB и FireWire, в бытовой электронике и профессиональных устройствах обычно используются несколько других цифровых аудиоинтерфейсов:
A2DP через Bluetooth, для высококачественной потоковой передачи звука на беспроводные устройства. AC'97, устаревший интерфейс, используемый на старых материнских платах ПК, предлагающий базовые аудиофункции. ADAT Lightpipe, оптоволоконный интерфейс для многоканального цифрового звука. AES3, профессиональный аудиоинтерфейс промышленного стандарта, использующий разъемы XLR. AES47, профессиональное расширение AES3, предназначенное для передачи цифрового звука по сетям ATM. Intel High Definition Audio, современная замена AC'97, поддерживающая больше каналов и более высокую точность. I²S, используемый для аудиосвязи между чипами в бытовой электронике. MADI, надежный интерфейс для многоканального цифрового звука в профессиональной среде. MIDI, используемый для передачи цифровых данных инструментов (не аудио, но актуальный для музыкального производства). S/PDIF, обычно используемый для передачи высококачественного звука по коаксиальным или оптоволоконным соединениям. Эти интерфейсы, от устаревших стандартов, таких как AC'97, до современных технологий, таких как AES3 и S/PDIF, являются основой для передачи высококачественного звука как в бытовой электронике, так и в профессиональных средах, таких как студии, живое звуковое сопровождение и вещание.
Окончательный вердикт: Актуальность: Технические разделы по USB, IEEE 1394 и различным профессиональным аудиопротоколам полностью соответствуют теме цифровых аудиоинтерфейсов. Упоминание проблем с микрофоном [20] можно было бы немного скорректировать по контексту, чтобы лучше связать его с темой обслуживания профессионального аудиооборудования. Поток: Пересмотренная версия объединяет всю информацию таким образом, чтобы сохранить как техническую точность, так и связное повествование, что делает статью актуальной для аудитории, интересующейся цифровыми аудиоинтерфейсами, не отклоняясь при этом в чрезмерно потребительские детали.
