Digitális hang
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. december 8-án felülvizsgált
verziótól ; az ellenőrzéshez
1 szerkesztés szükséges .
A digitális hang az analóg audiojel digitális audio formátummá alakításának eredménye .
A legegyszerűbb konverziós módszer, az impulzuskód moduláció (PCM), egy analóg-digitális átalakítóval ( ADC ) mért pillanatnyi jelszintek sorozatának rendszeres időközönkénti bemutatásából áll.
A PCM egy változata a delta moduláció , ahol a minta minden pillanatában a jelet összehasonlítják egy fűrészfog feszültséggel minden mintavételi lépésben .
A szigma-delta moduláció – a túlmintavételezés és a kvantálási zajgenerálás elvén alapuló jelábrázolási módszer, amely lehetővé teszi a zajszint csökkentését .
A modern módszerek bonyolultabb transzformációs algoritmusokat alkalmaznak . A hangrezgések digitális formában történő megjelenítése mellett speciális parancsok létrehozását is használják különféle elektronikus hangszereken az automatikus lejátszáshoz. Az ilyen technológia legtisztább példája a MIDI .
A bitkód előnyeit kódolt jelek távolságon keresztüli továbbításában, jeltitkosításban , jel digitális aláírásában, az átviteli interferencia okozta veszteségek helyreállításában, valamint más alkalmazásokban használják fel.
A digitális hangrögzítés egy olyan technológia, amely az analóg hangot digitális hanggá alakítja annak érdekében, hogy azt fizikai adathordozón tárolják, így a rögzített jel később reprodukálható.
A hangadatok digitális formában történő bemutatása lehetővé teszi a forrásanyag nagyon hatékony megváltoztatását speciális eszközök vagy számítógépes programok segítségével - hangszerkesztők , amelyet széles körben használnak az iparban, a médiaiparban és a mindennapi életben.
A digitális hang reprodukálásához speciális berendezéseket használnak, például zeneközpontokat , digitális lejátszókat , hangkártyás számítógépeket és telepített szoftvereket: audiolejátszót vagy médialejátszót .
Történelem
- 1928- ban Harry Nyquist "Bizonyos problémák a távíró átvitel elméletében" című munkájában meghatározta az impulzusjel továbbításához szükséges kommunikációs vonal sávszélességét - a digitális hang alapját [1].
- 1933- ban V. A. Kotelnikov „Az éter és a vezeték áteresztőképességéről a távközlésben” című munkájában javasolta és bebizonyította Kotelnyikov tételét , amely szerint a korlátozott spektrumú analóg jel egyedileg és veszteség nélkül visszaállítható a vele vett diszkrét mintákból. a frekvencia szigorúan nagyobb, mint a spektrum maximális frekvenciájának kétszerese [2]
- 1937- ben Alec Reeves brit tudós szabadalmaztatta az impulzuskód moduláció első leírását [3].
- Claude Shannon 1948- ban publikálta a "Matematical Theory of Communication" [4] , 1949-ben pedig az "Adatátvitel zaj jelenlétében" című művét, ahol Kotelnyikovtól függetlenül Kotelnyikov tételéhez hasonló eredménnyel igazolt tételt , ezért A nyugati irodalomban ezt a tételt gyakran Shannon-tételnek nevezik. [5]
- 1950 - ben Richard Hamming publikált egy tanulmányt a hibafelismerésről és -javításról [6]
- 1952 - ben David Huffman megalkotott egy minimális redundancia előtag kódoló algoritmust ( Huffman algoritmus vagy kód néven ismert ) [6]
- 1959 - ben Alex Hockwingham megalkotta a ma Bowes-Chowdhury-Hockwingham kódként ismert hibajavító kódot [6].
- 1960- ban Irwin Reid és Gustav Solomon, a Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratóriumának alkalmazottai feltalálták a Reed-Solomon kódot [6].
- 1967 - ben az NHK Műszaki Kutatóintézet bemutatta az első digitális tekercstől-tekercsig sztereó felvevőt 1 hüvelykes videokazettán. Az eszköz PCM -rögzítést használt 12 bites bitmélységgel és 30 kHz-es mintavételezési frekvenciával egy kompander segítségével a dinamikatartomány kiterjesztésére [6]
- 1969- ben a Sony bemutatott egy 13 bites digitális sztereó felvevőt 47,25 kHz-es mintavételezési frekvenciával, amelyet 2 hüvelykes videoszalagra rögzítettek [6]
- 1972 - ben jelent meg az első album, amelyet Nippon Columbia digitális mesterkazettáról rögzített [7].
- 1977 - ben a tokiói audiokiállításon a Mitsubishi , a Sony és a Hitachi digitális fonográf lemezek vagy hanglemezek prototípusait mutatták be [6]
- 1979 - ben Európában a Philips bemutatott egy 115 mm átmérőjű CD prototípust, hogy világszabványsá tegye. A 14 bites, 44,050 kHz-es rögzítés nem felelt meg a Sonynak, amely 16 bites 50 kHz-es felvételt kínált, de végül a formátumkorlátok miatt úgy döntöttek, hogy 44,1 kHz-es mintavételezési frekvenciát választanak, és a lemez méretét 120-ra növelik. mm. A lemez 74 percnyi felvétel tárolására alkalmas.
- 1980 - ban hivatalosan is javasolták a CD szabványt , de két évbe telt az összes jóváhagyás és fejlesztés [6].
- 1982 -ben a CD -rendszer szabványát elfogadták Európában és Japánban [6]
- Szintén 1982 -ben vezették be a DASH digitális hangrögzítési formátumot , amelyet a Sony többcsatornás stúdiófelvételhez javasolt.
- 1987- ben a Sony és a Philips bevezette a DAT digitális kompakt kazettás formátumot.
- 1992- ben a Philips és a Matsushita bevezette a Digital Compact Cassette formátumot MPEG1 layer 1 tömörítéssel.
- Szintén 1992 -ben a Sony bemutatta a MiniDisc személyi audiorendszert és az ATRAC tömörítési algoritmuson alapuló SDDS mozirendszert .
- 1999 -ben a Sony és a Philips kifejlesztette az SACD szabványt.
- 2000 -ben bevezetett DVD-Audio formátum
A digitális hangrögzítés elve periodikus mintavételezés és jelkvantálás módszerével
A hangfelvétel rezgésének digitális ábrázolásának elve meglehetősen egyszerű:
Az ADC működési elve is meglehetősen egyszerű: a mikrofonoktól és elektromos hangszerektől kapott analóg jelet digitálisvá alakítják. Ez az átalakítás a következő műveleteket tartalmazza:
- A sávkorlátozást aluláteresztő szűrővel hajtják végre, hogy elnyomják azokat a spektrális összetevőket, amelyek frekvenciája meghaladja a mintavételi frekvencia felét.
- Időbeli diszkretizálás , vagyis egy folyamatos analóg jel helyettesítése értékeinek sorozatával diszkrét időpontokban - minták. Ezt a problémát az ADC bemenetén lévő speciális áramkör segítségével oldják meg - egy minta- és tartási eszközt .
- A szintkvantálás a jelminta értékének a fix értékek - kvantálási szintek - halmazából a legközelebbi értékkel való helyettesítése.
- Kódolás vagy digitalizálás, melynek eredményeként minden kvantált minta értéke a kvantálási szint sorszámának megfelelő számként jelenik meg.
Ez a következőképpen történik: egy folyamatos analóg jelet szakaszokra „vágunk”, mintavételezési frekvenciával, digitális diszkrét jelet kapunk, amely bizonyos bitmélységgel megy át a kvantálási folyamaton, majd kódolódik, azaz kicserélődik. kódszimbólumok sorozatával. A 20-20 000 Hz-es frekvenciasávban történő jó minőségű hangrögzítéshez a 44,1 kHz-es és magasabb minimális szabványos mintavételezési frekvenciát használják (jelenleg 192,3, sőt 384,6 kHz-es mintavételezési frekvenciájú ADC-k és DAC-k jelentek meg). A meglehetősen jó minőségű felvétel elkészítéséhez 16 bites bitmélység elegendő, azonban a dinamikatartomány bővítéséhez és a hangrögzítés minőségének javításához 24 (ritkán 32) bites bitmélységet használnak.
Zajjavító és csatornakódolás
A zajjavító kódolás lehetővé teszi a jellejátszás során az adathordozó olvasási hibáinak azonosítását és kiküszöbölését (vagy előfordulásuk gyakoriságának csökkentését). Ennek érdekében a rögzítési folyamat során az ADC kimenetén kapott mintákhoz mesterséges redundanciát (vezérlő biteket) adnak, amelyek utólag segítik a sérült minta helyreállítását. A hangrögzítő eszközök általában két vagy három hibajavító kód kombinációját használják. Ha a kódolási redundancia kiválasztott szintje nem teszi lehetővé a referencia helyes értékének visszaállítását, akkor azt interpolációval helyettesítik, hogy kizárják a jelszint hirtelen változásának megjelenését (kattanás).
Az interleave -t arra is használják, hogy jobban megvédjék az adathordozó sérülése (CD-karcolások, mágnesszalag-hajtások) okozta sorozathibák ellen .
Kiegészítő adatok is hozzáadódnak a hasznos jelhez, hogy megkönnyítsék a későbbi dekódolást. Ezek lehetnek időkód jelek, szervizjelek, szinkronizációs jelek.
A csatornakódolás a digitális jelek és az átviteli csatorna (felvétel/lejátszás) paramétereihez való igazítását szolgálja. Például digitális jelek mágneses adathordozóra történő rögzítésekor ki kell zárni a spektrum állandó összetevőjének és alacsony frekvenciájú összetevőinek megjelenését a rögzítési áramban (amely hosszú nullák vagy egyesek sorozata esetén keletkezik). Ehhez konverziós táblákat használnak, amelyek szerint m adatbitből származó szavakat n csatornabitből származó szavakkal helyettesítenek, és mindig n > m. A digitális jellejátszó eszközökben a csatornadekóder órajeleket von ki az általános adatfolyamból, és fordítottan alakítja át az n-bites csatornaszavakat m-bites adatszavakká. A hibajavítás után a jel a DAC-hoz kerül.
A DAC működési elve
A dekódertől kapott digitális jel analógká alakul. Ez az átalakítás a következőképpen történik:
- A DAC dekóder a számsorozatot diszkrét kvantált jellé alakítja
- Az időtartomány simításával diszkrét mintákból időfolytonos jelet állítunk elő
- A végső jelvisszanyerés az oldalsó spektrumok elnyomásával történik egy analóg aluláteresztő szűrőben.
Digitális hangrögzítési módszerek
A rögzítés elve szerint a következő módszereket különböztetjük meg:
- Mágneses hangrögzítés – a digitális jeleket mágnesszalagra rögzítik. Kétféle rekord létezik:
- soronkénti rögzítési rendszer – amelyben a szalag rögzített mágneses rögzítő/lejátszó fejek ( DASH , DCC ) blokkja mentén mozog
- ferde vonalas rögzítési rendszer - amelyben a szalag a forgó mágneses fejek dobja mentén mozog, és a felvételt külön sávok ferdén végzik, ami nagyobb sűrűséget biztosít, mint a hosszanti vonalrögzítő rendszer. ( R-DAT , ADAT és PCM set-top boxból és videomagnóból álló korai rendszerek )
- Magneto-optikai rögzítés - a felvételt mágneses fej segítségével végzik egy speciális magneto-optikai rétegen, és a mágnesezés pillanatában lézerrel rövid ideig a Curie-pont hőmérsékletére melegítik. ( Minidisc , Hi-MD )
- Lézeres rögzítés - rögzítés lézersugárral történik, amely mélyedéseket (gödröket) éget az optikai közeg fényérzékeny rétegén . ( CD , DVD-Audio , DTS , SACD )
- Az optikai (fényképészeti) hangrögzítés a hordozó (filmszalag) fényérzékeny rétegére ható fényáram hatásán alapul. ( Dolby Digital , SDDS )
- Hangrögzítés elektronikus adathordozóra - a hangadatokat személyi számítógépen rögzítik fájlként különféle adathordozókra ( merevlemezek , újraírható optikai lemezek , flash kártyák , szilárdtestalapú meghajtók ), miközben nincs korlátozás a hangformátum és a hangformátum kötelező megfelelésére vonatkozóan . média formátum.
A digitális adathordozókon és a személyi számítógépeken különböző formátumokat használnak a hang (zene, hang stb.) tárolására , lehetővé téve a tömörítés , a hangminőség és az adatmennyiség
elfogadható arányának kiválasztását .
Népszerű fájlformátumok személyi számítógépekhez és kapcsolódó eszközökhöz:
Hangok rögzíthetők mikrofon segítségével, amely a levegőben lévő hangrezgéseket elektromos jellé alakítja. Ez a jel ezután számszerűsíthető, de a digitalizálásnak tartalmaznia kell a számszerűsítés méretét (térfogatát) és idejét.
Egy kicsit többet a különböző hangfájlformátumokról:
- A WAV (az angol "wave" szónak megfelelően ejtve) egy olyan formátum, amely minden alkalommal tárolja a digitalizált értéket. Ez sok adatot eredményez a középtávú rekordokhoz. Más formátumok viszont bizonyos adattömörítési módszereket használnak. A WAV formátum nagyon népszerű és széles körben használatos a digitalizált audiojeleket feldolgozó professzionális alkalmazásokban. Az előnyök között - jó hangminőség; támogatja a bővítmény nélküli böngészőkben. A formátum hátrányai közé tartozik azonban, hogy a hangadatokat jellemzően nyers, tömörítetlen formátumban tárolják, így a fájlok általában nagyok.
- Az MP3 egy másik népszerű audiodigitalizálási formátum, amely eltávolítja az audiojel azon részeit, amelyeket az emberi fül nem hall könnyen. Az eredményül kapott hang még mindig majdnem pontosan úgy szól, mint az eredeti, de lényegesen kevesebb bittel. Ez teszi ezt a formátumot népszerűvé, különösen az interneten, mivel sok felhasználó jó minőségű zenét szeretne, de viszonylag rövid letöltési idővel. A formátum hiányosságai között a felhasználók megjegyzik annak lehetőségét, hogy a hangfájl lejátszásához önálló lejátszóra vagy böngészőbővítményre lehet szükség.
- Az AAC (Advanced Audio Coding) formátum nagyon hasonlít a fent említett támogatott MP3-ra, de utódjaként tervezték, és jobb minőséget és kisebb fájlméretet kínál. A hátrányok közé tartozik, hogy a fájlok másolásvédettek, így a felhasználó csak jóváhagyott eszközökre korlátozódik. A formátumot az iTunes zenéhez használják.
- Az Ogg Vorbis egy olyan fájlformátum, amelyet az audiofájlok hatékony elosztására terveztek közepes sávszélességű kapcsolatokon. A Vorbis kódolás nagyobb bitsebességgel használható a nagyobb pontosság érdekében. Az előnyök közé tartozik, hogy a program ingyenes, nyílt szabványú; egyes böngészők (Firefox 3.5, Chrome 4 és Opera 10.5) támogatják. Ennek a formátumnak a népszerűsége fokozatosan jött létre.
- A FLAC (Free Lossless Audio Compression) egy olyan fájlformátum, amely veszteségmentes minőségben tárolja a zenét vagy a hangot. Ha a fájl tömörített, akkor a tömörítés semmilyen módon nem befolyásolja a zene minőségét, mivel az adatok és a feldolgozás másképpen történik, mint más formátumokban (pl. MP3).
- A WMA (Windows Media Audio) egy licencelt fájlformátum, amelyet a Microsoft fejlesztett ki hanganyagok tárolására és sugárzására. A WMA-t eredetileg az MP3 alternatívájaként jelentették be, de most az MP3 utódja az AAC (a népszerű iTunes áruház használja, mint fentebb említettük). A WMA előnyei - nagyon jó hangminőség; széles körben használják az interneten. Hátrányok - a fájlok védhetők a másolástól; Egyes készülékeken külön kell letölteni a lejátszót.
Meg kell jegyezni, hogy a digitális hangfájl lejátszásához további szoftvereket kell használnia, például audiolejátszókat, audio-bővítményeket és audioszoftvert.
A digitális hang minőségét befolyásoló paraméterek
A digitális hangrögzítés minőségét befolyásoló fő paraméterek:
Szintén fontosak a digitális hangrögzítő és -lejátszó eszközök analóg útvonalának paraméterei:
Digitális audio technológia
A digitális hangrögzítést jelenleg hangstúdiókban végzik, személyi számítógépek és egyéb drága és jó minőségű berendezések felügyelete mellett. Az „otthoni stúdió” koncepciója is meglehetősen széles körben kidolgozott, amelyben professzionális és félprofesszionális felvevőberendezéseket használnak, amelyek lehetővé teszik, hogy kiváló minőségű felvételeket készítsen otthon.
A hangkártyákat az ADC-ben és DAC-jukban feldolgozó számítógépek részeként használják - leggyakrabban 24 biten és 96 kHz-en, a bitmélység és a mintavételezési frekvencia további növelése gyakorlatilag nem javítja a felvétel minőségét
.
A számítógépes programok egész osztálya létezik - hangszerkesztők , amelyek lehetővé teszik a hanggal való munkát:
Néhány egyszerű program csak formátumok és kodekek konvertálását teszi lehetővé.
Néhány digitális hangtípus összehasonlítása
| Formátumnév
|
Kicsit mélység, kicsit
|
Mintavételi frekvencia, kHz
|
Csatornák száma
|
Lemez adatfolyam, kbit/s
|
Tömörítés/csomagolás arány
|
| CD |
16 |
44.1 |
2 |
1411.2
|
1:1 veszteség nélkül
|
| Dolby Digital (AC3) |
16-24 |
48
|
6 |
640-ig |
~12:1 veszteséges
|
| DTS |
20-24 |
48; 96 |
8-ig |
1536 előtt
|
~3:1 veszteséges
|
| DVD Audio |
16; húsz; 24 |
44,1; 48; 88,2; 96 |
6 |
6912
|
2:1 veszteség nélkül
|
| DVD Audio |
16; húsz; 24 |
176,4; 192 |
2 |
4608
|
2:1 veszteség nélkül
|
| MP3 |
úszó |
48-ig |
2 |
320-ig
|
~11:1 veszteséges
|
| AAC |
úszó |
96-ig |
48-ig |
529-ig
|
veszteségekkel
|
| AAC+ ( SBR ) |
úszó |
48-ig |
2 |
320-ig
|
veszteségekkel
|
| Ogg Vorbis |
32-ig |
192-ig |
255-ig |
1000-ig
|
veszteségekkel
|
| WMA |
24-ig |
96-ig |
8-ig |
768-ig
|
2:1, van veszteségmentes verzió
|
Lásd még
Jegyzetek
- ↑ H. Nyquist, "Bizonyos témák a távíró átvitelelméletében", Transz. AIEE, vol. 47, pp. 617-644, ápr. 1928
- ↑ Kotelnyikov V. A. Az "éter" és a vezeték áteresztőképességéről a távközlésben // Uspekhi fizicheskikh nauk : Folyóirat. - 2006. - 7. sz . - S. 762-770 .
- ↑ Robertson, David. Alec Reeves 1902-1971 Privateline.com: Telefontörténet Archiválva : 2014. május 11. (Angol)
- ↑ Claude Shannon - A kommunikáció matematikai elmélete
- ↑ C.E. Shannon. Kommunikáció zaj jelenlétében. Proc. Rádiómérnöki Intézet. Vol. 37. Nem. 1. P. 10-21. jan. 1949.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A CD: elméleti és használati kézikönyv Szerző: Ken C. Pohlmann
- ↑ Billboard 1981. augusztus 22. – Japán denon kiadója, 10 éves digitális veterán
Irodalom
- Shkritek P. Útmutató a hangáramkörhöz: Per. németül - M. Mir, 1991.-446 p.: ill.
- Zolotukhin I.P., Izyumov A.A., Raizman M.M. Digitális hangrögzítők. - Tomszk: "Rádió és kommunikáció", 1990. - 160 p. — ISBN 5-256-00559-6 .
Linkek