Цифровая запись

Цифровая запись звука — это сохранение аудио или визуальных сигналов в виде последовательности двоичных чисел, которые могут храниться на магнитной ленте, оптическом диске или другом носителе. Эту технологию активно используют в музыкальной индустрии и во многих других сферах.

Чтобы записать звук, аналого-цифровой преобразователь превращает электрическую звуковую волну с микрофона или аналогового визуального изображения в информацию. Со времени своего появления цифровые технологии медленно, но верно заменили аналоговое оборудование, благодаря своей дешевизне и простоте в использовании. Сегодня цифровое аудио является стандартом почти во всех студиях, как профессиональных, так и любительских. Однако на удивление мало людей действительно понимают, как оно работает. Итак, сегодня мы поговорим об основах цифрового звука для записи музыки.

История возникновения

Между открытием первого устройства звукозаписи и внедрением цифровой записи прошло сто лет. В течение этого времени постоянный технический прогресс и бесконечные инновации ученых и технических специалистов позволили создать несколько различных волн механического захвата, обработки и воспроизведения звука. От простых оловянных фольг и восковых цилиндров, на которых была тщательно выгравирована звуковая информация, собранная записывающей диафрагмой граммофонов, до кассет, которые позволяли слушателям наслаждаться многоканальными звуками, индустрия звукозаписи сделала гигантский шаг вперед с появлением компьютеров и цифрового звука.

Пионерами цифровой записи стали японцы, которые еще в конце 60-х годов смогли сохранить ее при помощи магнитной ленты и продемонстрировать публике. Уже через десять лет был показан аудиомагнитофон от компании Сони, который мог делать из аналога цифровой звук, сохраняя его на VHS. Тем не менее, музыка все еще продавалась на виниле.

Все начало меняться в конце 1970-х, когда Sony и Panasonic начали демонстрировать компакт-диски – настоящий цифровой носитель, способный хранить до 150 минут высококачественного звука. Компакт-диск хранит информацию с помощью тонкого слоя алюминиевой фольги, на которой нанесены миллионы бит данных в виде рисунка, который может быть прочитан лазером и преобразован с помощью электроники в аналоговый сигнал.

Появление компакт-дисков, наконец, позволило инженерам устранить шум, возникающий из-за трения между иглой и материалом для хранения. Это и многие другие преимущества позволили компакт-дискам стать одним из самых популярных носителей аудио в конце 20-го и начале 21-го века. Однако музыкальная индустрия скептически относилась к компакт-дискам, потому что они обеспечивали почти идеальное качество звука и легко подвергались пиратству со стороны пользователей. Для решения этих проблем в 1987 году они создали еще один цифровой носитель, названный цифровой аудиокассетой (DAT). Этот новый формат получил умеренный успех в Северной Америке и сегодня выживает как один из предпочтительных способов манипулирования профессиональными аудиозаписями.

В первые годы 21 века наблюдался рост цифрового звука, не привязанного к физическим носителям. Достижения в области кодеков сжатия (в первую очередь MP3), интернет-инфраструктуры и миниатюризации персональных цифровых плееров позволили пользователям носить с собой свои цифровые записи, где бы они ни находились. Несмотря на то, что в конце 1990-х было несколько влиятельных MP3-плееров, музыкальная индустрия значительно изменилась с появлением Apple iPod, чрезвычайно популярного аудиоплеера, заложившего основу для создания современных магазинов цифровой музыки и инфраструктуры распространения через Интернет для клиентов.

Сравнение с аналоговой записью

Аналоговые записи были единственными, которые широко использовались до цифровой революции 1970-х годов. Они использовали различные методы, которые сейчас устарели, такие как долгоиграющие (LP) пластинки, восьмидорожечные ленты (на металлической или магнитной ленте) и аудиокассеты. С начала двадцатого века до 1970-х годов аналоговая система казалась идеально подходящей для записи, однако с компьютерной революцией, которая произошла в конце века, высокая скорость и другие характеристики цифровой обработки сделали цифровую запись не только возможной, но и все более подходящей для многих приложений.

Важную роль сыграли и неуклонно падающие расходы из-за массового производства компьютеров, оптических дисков, лазерные плееры и другие устройства. При правильной реализации цифровой записи легче достичь высокой точности воспроизведения, поскольку она обеспечивает широкий динамический диапазон и низкий уровень шума и искажений.

Форматы цифровой записи

Цифровые звуковые файлы можно создавать в различных форматах. В целом, они делятся на две категории — сжатые и несжатые.

Сжатые форматы (такие как MP3) имеют гораздо меньший размер файла, чем несжатые форматы, но при этом они жертвуют качеством звука. Портативные устройства (например, MP3-плееры) получают компромисс между снижением качества и возможностью хранить тысячи файлов. Качество потоковых сервисов (таких как Spotify) можно повысить, если вы используете Wi-Fi или имеете хорошее соединение для передачи данных.

Звуковые файлы могут быть созданы с помощью секвенсоров. Существуют как платные, так и бесплатные сервисы, такие как Amped Studio, которая позволяет создавать и редактировать музыку, делать сложные миксы, записывать голос и многое другое в режиме онлайн. Созданные в данной программе треки можно сохранять в разных цифровых форматах, о которых пойдет речь ниже. Кроме того, записями можно делиться с друзьями и вместе редактировать.

Несжатые форматы

Такие форматы считаются лучшим способом хранить данные для высококачественного воспроизведения, так как для получения аудиоданных требуется очень небольшая обработка. Более сжатые форматы могут вызывать сбои звука в некоторых системах.

AIFF – стандарт Apple.

WAVE (или WAV) – стандарт для несжатого звука CD-качества в системах Windows, в котором используется запись в формате PCM. Запись с качеством компакт-диска имеет частоту дискретизации 44,1 кГц при разрешении 16 бит.

Размер файла: около 10,1 МБ в минуту. Этот показатель одинаков для всех файлов WAV с качеством компакт-диска, поскольку размер файла зависит только от длины файла, а не от его аудиосодержания.

BWF (Формат широковещательной волны) – используется в портативных аудиомагнитофонах и цифровых аудио рабочих станциях для вещания.

Сжатие без потерь

Форматы этой категории содержат полную аудиоинформацию, но с уменьшенным размером файла, за счет более эффективного хранения данных.

WMA без потерь (Windows Media Audio) – разработан с возможностью управления цифровыми правами (DRM) для защиты от копирования.

ALAC (Аудиокодек Apple без потерь) – открытый исходный код и бесплатное использование с 2011 года (хотя изначально он был собственностью Apple).

FLAC (бесплатный аудиокодек без потерь) – открытый исходный код, бесплатное лицензирование формата.

Сжатие с потерями

MP3 – формат сжатого звукового файла, разработанный Motion Picture Expert Group (MPEG) как часть их видеостандарта MPEG1, а затем расширенный до стандарта MPEG2 Layer 3.

За счет исключения частей аудиофайла, которые практически не слышны, файлы mp3 сжимаются примерно до одной десятой размера эквивалентного файла PCM, сохраняя при этом хорошее качество звука.

Есть 2 параметра, которые можно настроить, чтобы изменить качество и размер файла MP3:

• Битрейт;
• Частота выборки.

MP4 или M4A – преемник MP3 на основе сжатия AAC.

M4P – проприетарная версия AAC в формате MP4 с цифровым управлением правами, разработанная Apple для использования в музыке, загруженной из их iTunes Music Store.

OGG Ogg Vorbis – свободный от патентов сжатый аудиоформат с открытым исходным кодом.

Преимущества и недостатки цифровой записи

Цифровые технологии подарили пользователям множество возможностей. К примеру, в прежние времена, чтобы сделать запись, приходилось пользоваться студиями, которые занимали огромное пространство и стоили очень дорого. Теперь же все, что нужно – производительный компьютер, который, при этом, многократно превосходит возможности студий и стоит гораздо меньше.

Такая доступность позволяет заниматься звукозаписью не только профессионалам, но и любителям. Программы, которые используются сегодня, дают практически неограниченные возможности обработки звука, тогда как раньше, для этого использовались настоящие инструменты. Сейчас сделать тот и или иной уникальный эффект можно всего лишь за несколько кликов в Amped Studio.

Для обычных пользователей цифровая запись звука также имеет ряд преимуществ:

• многие носители очень компактные и могут хранить цифровые записи годами на флешках, CD-дисках и прочем;
• специальное ПО позволяет очищать старые записи, а также избавляться от шума;
• помимо этого все звуки можно отредактировать и добавить в них необходимые эффекты, громкость, частоту и т.д.;

Благодаря интернету пользователи получили возможность отправлять друг другу любимые музыкальные произведения, слушать десятки тысяч разных треков, публиковать собственные музыкальные наработки.

Аналоговые системы также имеют недостаток, заключающийся в том, что при воспроизведении и перезаписи искажение увеличивается. Каждую последующую копию будет слышно хуже. В системе цифровой записи этого искажения не происходит. Основная запись может иметь минимальные ошибки квантования, но они не усугубляются при копировании. Цифровой мастер позволяет сделать тысячи копий без искажений, аналогично цифровые носители на компакт-дисках можно воспроизводить тысячи раз без искажений.

Конечно, цифровые технологии имеют и свои минусы. С их появлением многие стали замечать, что аналоговые записи имеют более «живой звук». Однако это не просто ностальгия по былым временам. Все дело в оцифровке, которая иногда добавляет в звук ошибки. Также вносить свои коррективы может «транзисторный шум». Это понятие не имеет единой трактовки, однако его смысл заключается в хаотическом колебании на высокочастотном уровне. Несмотря на то, что человеческий слух рассчитан на восприятие частоты не более 20 кГц, наш мозг, судя по всему, способен принимать и более высокую частоту. Благодаря этой особенности нам и кажется, что аналоговый звук чище, цифрового.

Кроме того, все носители записи несовершенны из-за пылинок или других загрязнений, которые не позволяют оборудованию запечатлеть данные на носителе. При аналоговой записи дефекты проявляются в виде слышимого шума, при цифровой записи они вызывают ошибки в потоке битов, которые могут привести к шуму или сбою воспроизведения. Для решения этой проблемы в поток данных встраиваются коды исправления ошибок. Некоторые из этих кодов могут быть очень сложными, и они также приводят к тому, что данные занимают больше места для хранения. Однако результатом является высоконадежное воспроизведение дисков при разумном уровне пыли и царапин.

Основные термины в цифровой записи

Биты и байты

Бит является самым небольшим элементом, который содержит данные в компьютерной памяти. Восемь битом составляют байт, который обрабатывается компьютерами как целый элемент.

Высокая плотность

Это означает возможность хранить большие аудио-, видео- или информационные файлы на небольшом пространстве.

Параметры цифровой записи

Параметры, которые влияют на то, в каком качестве будет произведена цифровая запись, состоят из:

• Разрядности аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП);
• Частоты дискретизации АЦП и ЦАП;
• Джиттера (искажений сигнала) АЦП и ЦАП;
• Передискретизации;

Кроме того, важную роль играют настройки, такие как:

• Насколько много шумов по отношению к сигналам;
• Число искажений нелинейного типа;
• Интермодуляция помех;
• Неравномерные параметры амлитуды и частот;
• Процесс взаимного проникновения каналов;
• Динамичность диапазона.

Описание процесса цифровой записи

Запись осуществляется так:

1. Аналоговый сигнал передается на АЦП;
2. Преобразование этого сигнала, во время которого множество раз измеряется аналоговая волна, после чего ей присваивается двоичное значение с числом битов (длина слова);
3. Затем происходит дискретизация, которая является частотой, где АЦП измеряет уровень аналоговой волны;
4. Заданная длина слова, которая представляет собой цифровой образец звука, олицетворяет одномоментный звуковой уровень;
5. От размера длины слова зависит точность отображения уровня волны звука;
6. Частота цифрового сигнала зависит от высоты частоты дискретизации;
7. В результате цифровые аудиосэмплы, которые являются постоянным потоком чисел, выводятся АЦП;
8. После этого полученные двоичные числа могут храниться на различных носителях.

Как происходит воспроизведение:

1. Числа отправляется с носителя в ЦАП, который превращает их снова в аналог, путем склеивания данных об уровнях. Это позволяет восстановить прежний вид аналоговой волны;
2. Сигнал получает усиление и начинает передаваться на динамики или экраны.

Заключение

Цифровая запись произвела настоящую революцию в музыкальной индустрии и не только, отправив в анналы истории своего аналогового предшественника. Благодаря своим преимуществам и доступности эта технология нашла применение во многих сферах и без нее трудно представить современный мир.