Digitaler Ton

Audioebenen werden auf einem digitalen Audio -Rekorder angezeigt (Zoom H4n)

Digitaler Ton ist eine Darstellung von Klang aufgenommen in oder konvertiert in, digitale Form. In digitalem Audio die Schallwelle des Audiosignal wird typischerweise als numerisch codiert Proben in einer kontinuierlichen Reihenfolge. Zum Beispiel in CD -AudioProben werden 44.100 entnommen Zeiten pro Sekunde, jeweils mit 16-Bit Probentiefe. Digital Audio ist auch der Name für die gesamte Technologie von Tonaufnahme und Reproduktion Verwenden von Audiosignalen, die in digitaler Form codiert wurden. Nach erheblichen Fortschritten in der digitalen Audio -Technologie in den 1970er und 1980er Jahren ersetzt es sich allmählich aus Analoge Audio -Technologie in vielen Bereichen von Audiotechnik, Rekordproduktion und Telekommunikation In den 1990er und 2000er Jahren

In einem digitalen Audiosystem ein Analoges elektrisches Signal Die Darstellung des Klangs wird mit einem konvertiert Analog-Digital-Wandler (ADC) in ein digitales Signal, typischerweise verwendet Pulscode-Modulation (PCM). Dieses digitale Signal kann dann aufgezeichnet, bearbeitet, modifiziert und kopiert werden Computers, Audio -Wiedergabemaschinen und andere digitale Tools. Für die Wiedergabe a Digital-Analog-Wandler (DAC) führt den umgekehrten Prozess durch und konvertiert ein digitales Signal wieder in ein analoges Signal, das dann durch eine gesendet wird Audio -Leistungsverstärker und letztendlich zu a Lautsprecher.

Digitale Audiosysteme können umfassen Kompression, Lagerung, wird bearbeitet, und Übertragung Komponenten. Die Konvertierung in ein digitales Format ermöglicht eine bequeme Manipulation, Speicherung, Übertragung und Abruf eines Audiosignals. Im Gegensatz zu analogem Audio, bei dem Kopien einer Aufnahme dazu führen Generierungsverlust Der Abbau der Signalqualität ermöglicht es digitalem Audio, dass eine unendliche Anzahl von Kopien ohne Verschlechterung der Signalqualität vorgenommen werden kann.

Überblick

Eine Schallwelle in rot, digital dargestellt, in Blau (danach Probenahme und 4-Bit Quantisierung).

Digitale Audio-Technologien werden in der Aufnahme, Manipulation, Massenproduktion und Verteilung von Sound verwendet, einschließlich Aufnahmen von Lieder, instrumentelle Stücke, Podcasts, Soundeffekte und andere Geräusche. Modern Online -Musikverteilung hängt von der digitalen Aufnahme ab und hängt Datenkompression. Die Verfügbarkeit von Musik als Datendateien und nicht als physische Objekte hat die Verteilungskosten erheblich gesenkt und es einfacher gemacht, Kopien zu teilen.[1] Vor dem digitalen Audio verteilte und verkaufte die Musikindustrie Musik, indem sie physische Kopien in Form von Aufzeichnungen und Kassetten. Mit Digital-Audio- und Online-Vertriebssystemen wie z. iTunesUnternehmen verkaufen digitale Sounddateien an Verbraucher, die der Verbraucher über das Internet erhält. Beliebte Streaming -Dienste wie Spotify und Youtubebieten vorübergehende Zugriff auf die digitale Datei und sind jetzt die häufigste Form des Musikverbrauchs[2]

Ein analoges Audiosystem wandelt physikalische Wellenformen des Schalls in elektrische Darstellungen dieser Wellenformen unter Verwendung von a Wandler, so wie ein Mikrofon. Die Geräusche werden dann auf einem analogen Medium wie aufbewahrt, z. B. Magnetbandoder durch ein analoges Medium wie a übertragen Telefonleitung oder Radio. Der Prozess ist für die Fortpflanzung umgekehrt: Das elektrische Audiosignal ist verstärkt und dann über a wieder in physikalische Wellenformen umgewandelt Lautsprecher. Analoges Audio behält seine grundlegenden wellenähnlichen Eigenschaften während der gesamten Speicherung, Transformation, Duplikation und Verstärkung bei.

Analoge Audiosignale sind aufgrund der angeborenen Eigenschaften elektronischer Schaltkreise und zugehöriger Geräte anfällig für Rauschen und Verzerrungen. Störungen in a Digitales System NICHT zu einem Fehler führen, es sei denn, sie sind so groß, dass ein Symbol als ein anderes Symbol falsch interpretiert wird oder die Abfolge von Symbolen stört. Es ist daher im Allgemeinen möglich, ein völlig fehlerfreies digitales Audiosystem zu haben, in dem zwischen der Konvertierung in das digitale Format und der Umwandlung wieder analog eingerichtet oder verzerrt wird.

Ein digitales Audiosignal kann zur Korrektur von Fehlern codiert werden, die bei der Speicherung oder Übertragung des Signals auftreten können. Diese Technik, bekannt als als Kanalcodierungist für die Digitalsysteme von Broadcast oder aufgezeichnet, um eine etwas Genauigkeit aufrechtzuerhalten. Acht bis vierzehn Modulation ist der Kanalcode für das Audio Compact Disc (CD).

Umwandlungsprozess

Analog to Digital to Analog conversion
Der Lebenszyklus des Klangs von seiner Quelle, durch eine ADC, eine digitale Verarbeitung, einen DAC und schließlich als Klang.

Wenn ein Audiosignal analog ist, startet ein digitales Audiosystem mit einem ADC, das ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt.[Anmerkung 1] Der ADC läuft bei einem bestimmten Abtastrate und konvertiert bei einer bekannten Bitauflösung. CD -Audiohat zum Beispiel eine Stichprobenrate von 44,1KHz (44.100 Proben pro Sekunde) und hat 16-Bit Auflösung für jeden Stereo Kanal. Analoge Signale, die noch nicht waren Bandlimited muss durch eine durchlaufen werden Anti-Aliasing-Filter vor der Umstellung, um die zu verhindern Aliasing -Verzerrung das wird durch Audiosignale mit höheren Frequenzen verursacht als die Nyquist Frequenz (die Hälfte der Stichprobenrate).

Ein digitales Audiosignal kann gespeichert oder übertragen werden. Digitales Audio kann auf einer CD gespeichert werden, a Digitaler Audio -Player, a Festplatte, a USB-Stick, oder ein anderer digitaler Datenspeichergerät. Das digitale Signal kann durch verändert werden digitale Signalverarbeitung, wo es sein kann gefiltert oder haben Auswirkungen angewandt. Probe-Rate-Konvertierung einschließlich upsampling und Downsampling Kann verwendet werden, um Signale zu ändern, die vor der Verarbeitung mit einer anderen Stichprobenrate als gemeinsame Stichprobenrate codiert wurden. Audio -Datenkomprimierungstechniken wie z. MP3, Erweiterte Audiocodierung, Ogg Vorbis, oder Flacwerden üblicherweise verwendet, um die Dateigröße zu reduzieren. Digitales Audio kann übertragen werden Digitale Audio -Schnittstellen wie zum Beispiel AES3 oder Madi. Digitales Audio kann über ein Netzwerk übertragen werden Audio über Ethernet, Audio über IP oder andere Streaming Medien Standards und Systeme.

Für die Wiedergabe muss digitales Audio mit einem DAC in ein analoges Signal umgewandelt werden. Laut dem Nyquist -Shannon -Probenahme TheoremMit einigen praktischen und theoretischen Einschränkungen kann eine bandbegrenzte Version des ursprünglichen analogen Signals aus dem digitalen Signal genau rekonstruiert werden.

Geschichte

Codierung

Pulscode-Modulation (PCM) wurde vom britischen Wissenschaftler erfunden Alec Reeves 1937.[3] Im Jahr 1950, C. Chapin Cutler von Bell Labs lagte das Patent auf Differentialpulscode-Modulation (DPCM),[4] a Datenkompression Algorithmus. Adaptive DPCM (ADPCM) wurde von P. Cummiskey eingeführt, Nikil S. Jayant und James L. Flanagan 1973 bei Bell Labs.[5][6]

Wahrnehmungscodierung wurde zuerst für verwendet für Sprachcodierung Kompression, mit Lineare Vorhersagecodierung (LPC).[7] Erste Konzepte für LPC stammen aus der Arbeit von Fumitada itakura (Universität Nagoya) und Shuzo Saito (Nippon Telegraph und Telefon) im Jahr 1966.[8] In den 1970er Jahren, Bishnu S. Atal und Manfred R. Schroeder Bei Bell Labs entwickelte eine Form von LPC genannt Adaptive Vorhersagecodierung (APC), ein Wahrnehmungscodierungsalgorithmus, der die Maskierungseigenschaften des menschlichen Ohrs ausnutzte, folgte Anfang der 1980er Jahre mit dem Code angeregte lineare Vorhersage (Celp) Algorithmus.[7]

Diskrete Cosinus -Transformation (DCT) Codierung, a Verlustige Komprimierung Methode zuerst vorgeschlagen von Nasir Ahmed 1972,,[9][10] vorausgesetzt die Grundlage für die modifizierte diskrete Cosinus -Transformation (MDCT), das 1987 von J. P. Princen, A. W. Johnson und A. B. Bradley entwickelt wurde.[11] Die MDCT ist die Grundlage für die meisten Audio -Codierungsstandards, wie zum Beispiel Dolby Digital (AC-3),[12] MP3 (MPEG Schicht iii),[13][7] Erweiterte Audiocodierung (AAC), Windows Media Audio (WMA) und Vorbis (Ogg).[12]

Aufzeichnung

PCM wurde in verwendet Telekommunikation Anwendungen lange vor seiner ersten Verwendung in der kommerziellen Übertragung und Aufnahme. Die kommerzielle digitale Aufnahme wurde in Japan Pionierarbeit von Pionierarbeit von Pionierarbeit NHK und Nippon Columbia und ihre Denon Marke in den 1960er Jahren. Die ersten kommerziellen digitalen Aufnahmen wurden 1971 veröffentlicht.[14]

Das BBC In den 1960er Jahren begann auch mit digitalem Audio zu experimentieren. In den frühen 1970er Jahren hatte es einen 2-Kanal-Rekorder entwickelt und 1972 ein digitales Audioübertragungssystem eingesetzt, das ihr Broadcast-Center mit ihren Fernübergängen verband.[14]

Die erste 16-Bit-PCM-Aufnahme in der Vereinigte Staaten wurde gemacht von Thomas Stockham Bei der Santa Fe Opera 1976 auf a Soundstream Recorder. Eine verbesserte Version des Soundstream -Systems wurde verwendet, um mehrere klassische Aufnahmen zu erstellen Telarc 1978. The 3m Digital Multitrack Recorder Zu dieser Zeit basierte die BBC -Technologie. Das erste All-Digital-Album, das auf dieser Maschine aufgenommen wurde Ry Cooder's Bop bis du fallen lässt 1979. Britisches Plattenlabel Decca begann 1978 mit der Entwicklung seiner eigenen 2-Track-Digital-Audio-Rekorder und veröffentlichte 1979 die erste europäische digitale Aufnahme.[14]

Beliebte professionelle digitale Multitrack -Rekorder, die von Sony/Studier (Studer (Studer "produziert wurden (BINDESTRICH) und Mitsubishi (Prodigi) In den frühen 1980er Jahren halfen die Akzeptanz der digitalen Aufnahme durch die großen Plattenfirmen. Maschinen für diese Formate hatten auch ihre eigenen Transporte eingebaut, wobei sie verwendet wurden Rollen-zu-Reel Klebeband entweder 1/4 ", 1/2" oder 1 "Breite, wobei die Audiodaten mit einem mehrspurigen stationären Bandkopf am Band aufgezeichnet werden. PCM -Adapter Ermöglichte eine stereo -digitale Audioaufnahme auf einem herkömmlichen NTCs oder Kumpel Videokassettenrekorder.

Die Einführung der CD von 1982 hat digitales Audio mit den Verbrauchern populär gemacht.[14]

Adat wurde Anfang der neunziger Jahre erhältlich, was achtstöckige 44,1 oder 48 kHz auf S-VHS-Kassetten ermöglichte, und DTRs führte eine ähnliche Funktion mit HI8 -Bändern aus.

Formate wie Prodigi und Dash wurden als als bezeichnet Sdat (Stationärer Kopf DIgital AUdio Tape) Formate im Gegensatz zu Formaten wie den PCM-adapierbasierten Systemen und DAT, die als als bezeichnet wurden Rdat (ROtating Head DIgital AUdio TAPE) Formate, aufgrund ihres helical-scan-Aufzeichnungsverfahrens.

Wie Dat Kassette, Prodigi und Dash Maschinen berücksichtigten auch die obligatorische Probenahmerate von 44,1 kHz, aber auch 48 kHz für alle Maschinen und schließlich eine Probenahmerate von 96 kHz. Sie überwand die Probleme, die typische analoge Rekorder nicht in der Lage waren, die Anforderungen an die Bandbreite (Frequenzbereich) der digitalen Aufnahme durch eine Kombination von höheren Bandgeschwindigkeiten, engeren Kopflücken in Kombination mit Metallformulierungsbändern und der Ausbreitung von Daten über mehrere parallel Spuren.

Im Gegensatz zu analogen Systemen modern, modern Digitale Audio -Arbeitsstationen und Audio -Schnittstellen Ermöglichen Sie so viele Kanäle wie Manny unterschiedliche Stichprobenraten, wie der Computer zu einem einzigen Zeitpunkt effektiv ausgeführt werden kann. Das macht Multitrack -Aufnahme und viel einfacher für große Projekte, die mit analogen Ausrüstung schwierig wären.

Telefonie

Die schnelle Entwicklung und eine breite Einführung von PCM Digitale Telefonie wurde durch Metal -Oxid -Jemonductor (Mos) Kondensator ausgeschaltet (SC) Circuit Technology, entwickelt in den frühen 1970er Jahren.[15] Dies führte in den späten 1970er Jahren zur Entwicklung von PCM-Codec-Filter-Chips.[15][16] Das Silizium-Gate CMOs (komplementäre MOS) PCM-Codec-Filter-Chip, entwickelt von David A. Hodges und W.C. Schwarz im Jahr 1980,[15] ist seitdem der Branchenstandard für die digitale Telefonie.[15][16] In den 1990er Jahren, Telekommunikationsnetzwerke so wie die öffentliches Fernsprechwählnetz (PSTN) war größtenteils gewesen digitalisiert mit VLSI (sehr Große Integration) CMOS PCM-Codec-Filter, weit verbreitete in elektronische Schaltsysteme zum Telefonbörsen, Benutzer-Ende Modems und eine Reihe von Digitale Übertragung Anwendungen wie die Digitales Netzwerk integrierter Dienste (ISDN), Schnurlose Telefone und Handys.[16]

Technologien

Sony Digitales Audioband Rekorder PCM-7030

Digitales Audio wird in verwendet Rundfunk- Audio. Standardtechnologien umfassen Digital Audio Broadcasting (TUPFEN), Digital Radio Mondiale (DRM), HD -Radio und In-Band-Onkanal (IBOC).

Digitales Audio in Aufzeichnungsanwendungen wird auf audiospezifischen Technologien, einschließlich CD, gespeichert. Digitales Audioband (Dat), Digitale kompakte Kassette (DCC) und Minidisc. Digitales Audio kann in einem Standard gespeichert werden Audiodateiformate und auf einem gespeichert Festplattenrecorder, Blu-Ray oder DVD-Audio. Dateien können auf Smartphones, Computern oder zurückgespielt werden MP3-Player. Die digitale Audioauflösung wird in gemessen Probentiefe. Die meisten digitalen Audioformate verwenden eine Probentiefe von entweder 16-Bit, 24-Bit und 32-Bit.

Schnittstellen

Fokusrite USB -Schnittstellen

Zu den digital-odiospezifischen Schnittstellen gehören:

Mehrere Schnittstellen sind so konstruiert, dass sie digitale Videos und Audio zusammenführen, einschließlich HDMI und DisplayPort. Einige Schnittstellen bieten MIDI Unterstützung sowie Unterstützung Xlr und Trs Analoge Ports.

Zum persönliche Computer, USB und IEEE 1394 Bestimmungen zur Bereitstellung von digitalem Audio in Echtzeit haben. USB -Schnittstellen sind aufgrund ihrer geringen Größe und Benutzerfreundlichkeit bei unabhängigen Audioingenieuren und Herstellern immer beliebter geworden. In professionellen Architektur- oder Installationsanwendungen viele Audio über Ethernet Protokolle und Schnittstellen existieren. Im Rundfunk-, ein allgemeinerer Audio über IP Netzwerktechnologie wird bevorzugt. In Telefonie Voice over IP wird als Netzwerkschnittstelle für digitale Audio für Sprachkommunikation verwendet.

Siehe auch

Anmerkungen

  1. ^ Einige Audiosignale wie die von den erstellten von Digitale Synthese Entstehen vollständig in der digitalen Domäne. In diesem Fall findet analog zu digitaler Konvertierung nicht statt.

Verweise

  1. ^ Janssens, Jelle; Stijn vandaele; Tom Vander Beken (2009). "Die Musikindustrie über (The) Linie? Überlebende Musikpiraterie in einer digitalen Ära". Europäisches Journal für Kriminalität, Strafrecht und Strafjustiz. 77 (96): 77–96. doi:10.1163/157181709x429105. HDL:1854/LU-608677.
  2. ^ Liikkanen, Lassi a.; Åman, Pirkka (Mai 2016). "Mischungsdienste: Aktuelle Trends bei der Interaktion mit digitaler Musik". Mit Computern interagieren. 28 (3): 352–371. doi:10.1093/iwc/iwv004. ISSN 0953-5438.
  3. ^ Genie nicht erkannt, BBC, 2011-03-27, abgerufen 2011-03-30
  4. ^ US -Patent 2605361, C. Chapin Cutler, "Differentialquantisierung von Kommunikationssignalen", herausgegeben 1952-07-29 
  5. ^ P. Cummiskey, Nikil S. Jayant und J. L. Flanagan, "Adaptive Quantisierung in der Differential -PCM -Codierung der Sprache", Bell -System. Technik. J., vol. 52, S. 1105—1118, September 1973
  6. ^ Cummiskey, P.; Jayant, Nikil S.; Flanagan, J. L. (1973). "Adaptive Quantisierung in der differentiellen PCM -Codierung der Sprache". Das Bell System Technical Journal. 52 (7): 1105–1118. doi:10.1002/j.1538-7305.1973.tb02007.x. ISSN 0005-8580.
  7. ^ a b c Schroeder, Manfred R. (2014). "Bell Laboratories". Akustik, Informationen und Kommunikation: Gedenkvolumen zu Ehren von Manfred R. Schroeder. Springer. p. 388. ISBN 9783319056609.
  8. ^ Gray, Robert M. (2010). "Eine Geschichte der digitalen Real -Real -Sprache in Paketnetzwerken: Teil II der linearen Vorhersagecodierung und des Internet -Protokolls" (PDF). Gefunden. Trendssignalprozess. 3 (4): 203–303. doi:10.1561/2000000036. ISSN 1932-8346.
  9. ^ Ahmed, Nasir (Januar 1991). "Wie ich mich mit der diskreten Cosinus -Transformation ausgedacht habe". Digitale Signalverarbeitung. 1 (1): 4–5. doi:10.1016/1051-2004 (91) 90086-Z.
  10. ^ Nasir Ahmed; T. Natarajan; Kamisetty Ramamohan Rao (Januar 1974). "Diskrete Cosinus -Transformation" (PDF). IEEE -Transaktionen auf Computern. C-23 (1): 90–93. doi:10.1109/t-c.1974.223784.
  11. ^ J. P. Princen, A. W. Johnson und A. B. Bradley: Subband-/Transformationskodierung mithilfe der Filterbank -Designs basierend auf der Aliasing -Stornierung von Zeitdomänen, IEEE Proc. Intl. Konferenz über Akustik, Sprache und Signalverarbeitung (ICASSP), 2161–2164, 1987.
  12. ^ a b Luo, FA-Long (2008). Mobile Multimedia -Rundfunkstandards: Technologie und Praxis. Springer Science & Business Media. p. 590. ISBN 9780387782638.
  13. ^ Guckert, John (Frühjahr 2012). "Die Verwendung von FFT und MDCT in MP3 -Audiokomprimierung" (PDF). Universität von Utah. Abgerufen 14. Juli 2019.
  14. ^ a b c d Gut, Thomas (2008). Barry R. Ashpole (Hrsg.). "Der Morgendämmerung der kommerziellen digitalen Aufnahme" (PDF). ARSC Journal. Abgerufen 2010-05-02.
  15. ^ a b c d Allstot, David J. (2016). "Umgeschaltete Kondensatorfilter" (PDF). In Maloberti, Franco; Davies, Anthony C. (Hrsg.). Eine kurze Geschichte von Schaltungen und Systemen: vom grünen, mobilen, durchdringenden Netzwerk bis zum Big Data Computing. IEEE Circuits and Systems Society. S. 105–110. ISBN 9788793609860.
  16. ^ a b c Floyd, Michael D.; Hillman, Garth D. (8. Oktober 2018) [1. Pub. 2000]. "Impulscode-Modulation codec-Filter". Das Kommunikationshandbuch (2. Aufl.). CRC Press. S. 26–1, 26–2, 26–3. ISBN 9781420041163.

Weitere Lektüre

  • Borwick, John, Hrsg., 1994: Tonaufnahme -Übung (Oxford: Oxford University Press)
  • Bosi, Marina und Goldberg, Richard E., 2003: Einführung in die digitale Audio -Codierung und -standards (Springer)
  • Ifeachor, Emmanuel C. und Jervis, Barrie W., 2002: Digitale Signalverarbeitung: Ein praktischer Ansatz (Harlow, England: Pearson Education Limited)
  • Rabiner, Lawrence R. und Gold, Bernard, 1975: Theorie und Anwendung der digitalen Signalverarbeitung (Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc.)
  • Watkinson, John, 1994: Die Kunst des digitalen Audios (Oxford: Focal Press)

Externe Links