Nagrywanie cyfrowe

Cyfrowe nagrywanie dźwięku polega na przechowywaniu sygnałów audio lub wizualnych w postaci sekwencji cyfr binarnych, które mogą być zapisane na taśmie magnetycznej, płycie optycznej lub innym nośniku. Technologia ta jest szeroko stosowana w przemyśle muzycznym i wielu innych dziedzinach.

Aby zarejestrować dźwięk, przetwornik analogowo-cyfrowy przekształca elektryczną falę dźwiękową z mikrofonu lub analogowy obraz wizualny w informacje. Od momentu pojawienia się technologia cyfrowa powoli, ale skutecznie zastępuje sprzęt analogowy ze względu na swoją niską cenę i łatwość obsługi. Obecnie cyfrowe nagrania audio są standardem w prawie wszystkich studiach, zarówno profesjonalnych, jak i amatorskich. Jednak zaskakująco niewiele osób naprawdę rozumie, jak to działa. Dlatego dzisiaj omówimy podstawy cyfrowego nagrywania dźwięku w muzyce.

Historia powstania

Od odkrycia pierwszego urządzenia do nagrywania dźwięku do wprowadzenia nagrywania cyfrowego minęło sto lat. W tym czasie ciągły postęp technologiczny i niekończące się innowacje naukowców i techników doprowadziły do powstania kilku różnych fal mechanicznego przechwytywania, przetwarzania i odtwarzania dźwięku. Branża nagraniowa zrobiła ogromny krok naprzód wraz z wynalezieniem komputerów i dźwięku cyfrowego. Zaczęło się od prostych folii cynowych i cylindrów woskowych, na których informacje dźwiękowe były zbierane przez membranę gramofonu i starannie wygrawerowane. Następnie rozwój kontynuowano w kasetach, które pozwalały słuchaczom cieszyć się dźwiękiem wielokanałowym.

Pionierami nagrań cyfrowych byli Japończycy, którzy pod koniec lat 60. byli w stanie zachować takie nagrania na taśmie magnetycznej i zaprezentować je publiczności. Dziesięć lat później zaprezentowano magnetofon Sony. Był on w stanie przekształcić dźwięk analogowy na cyfrowy i zapisać go na kasecie VHS. Niemniej jednak muzyka nadal była sprzedawana na płytach winylowych.

Sytuacja zaczęła się zmieniać pod koniec lat 70., kiedy Sony i Panasonic zaczęły prezentować płyty CD, prawdziwe nośniki cyfrowe zdolne do przechowywania do 150 minut wysokiej jakości dźwięku. Płyta CD przechowuje informacje za pomocą cienkiej warstwy folii aluminiowej, na której miliony bitów danych są nadrukowane w wzór, który może być odczytany przez laser i przekształcony elektronicznie w sygnał analogowy.

Pojawienie się płyt CD pozwoliło inżynierom wyeliminować szumy spowodowane tarciem między igłą a materiałem nośnym. Ta i wiele innych zalet sprawiły, że płyty CD stały się jednym z najpopularniejszych nośników audio pod koniec XX i na początku XXI wieku. Jednak przemysł muzyczny podchodził sceptycznie do płyt CD, ponieważ zapewniały one niemal idealną jakość dźwięku i były łatwe do piractwa przez użytkowników. Aby rozwiązać te problemy, w 1987 roku stworzono inny nośnik cyfrowy o nazwie cyfrowa kaseta audio (DAT). Ten nowy format odniósł umiarkowany sukces w Ameryce Północnej i przetrwał do dziś jako jeden z preferowanych sposobów manipulowania profesjonalnymi nagraniami audio.

W pierwszych latach XXI wieku nastąpił rozwój dźwięku cyfrowego, który nie był powiązany z nośnikami fizycznymi. Postępy w dziedzinie kodeków kompresujących (głównie MP3), infrastruktury internetowej oraz miniaturyzacji osobistych odtwarzaczy cyfrowych pozwoliły użytkownikom na przenoszenie swoich cyfrowych nagrań wszędzie tam, gdzie się udawali. Chociaż pod koniec lat 90. pojawiło się kilka wpływowych odtwarzaczy MP3, przemysł muzyczny uległ znaczącej zmianie wraz z wprowadzeniem na rynek odtwarzacza Apple iPod. Jest to niezwykle popularny odtwarzacz audio, który położył podwaliny pod dzisiejsze cyfrowe sklepy muzyczne i infrastrukturę dystrybucji internetowej dla klientów.

Porównanie z nagraniami analogowymi

Przed rewolucją cyfrową w latach 70. XX wieku powszechnie stosowano wyłącznie nagrania analogowe. Wykorzystywano w tym celu różne metody, które obecnie są już przestarzałe, takie jak płyty długogrające (LP), taśmy ośmiościeżkowe (na taśmie metalowej lub magnetycznej) i kasety audio. Od początku XX wieku do lat 70. system analogowy wydawał się idealny do nagrywania, ale wraz z rewolucją komputerową pod koniec wieku, wysoka prędkość i inne cechy przetwarzania cyfrowego sprawiły, że nagrywanie cyfrowe stało się nie tylko możliwe, ale także coraz bardziej odpowiednie do wielu zastosowań.

Istotną rolę odegrał również stały spadek kosztów spowodowany masową produkcją komputerów, dysków optycznych, odtwarzaczy laserowych i innych urządzeń. Nagrywanie cyfrowe pozwala łatwiej uzyskać wysoką jakość odtwarzania, ponieważ zapewnia szeroki zakres dynamiki oraz niski poziom szumów i zniekształceń przy prawidłowej implementacji.

Formaty nagrań cyfrowych

Cyfrowe pliki audio mogą być tworzone w różnych formatach. Ogólnie rzecz biorąc, dzielą się one na dwie kategorie – skompresowane i nieskompresowane.

Formaty skompresowane (takie jak MP3) mają znacznie mniejszy rozmiar pliku niż formaty nieskompresowane, ale kosztem jakości dźwięku. Urządzenia przenośne (takie jak odtwarzacze MP3) stanowią kompromis między niższą jakością a możliwością przechowywania tysięcy plików. Jakość usług strumieniowych (takich jak Spotify) można poprawić, korzystając z Wi-Fi lub dobrego połączenia danych.

Pliki dźwiękowe można tworzyć za pomocą sekwencerów. Istnieją zarówno płatne, jak i bezpłatne usługi, takie jak Amped Studio, które umożliwiają tworzenie i edycję muzyki, wykonywanie złożonych miksów, nagrywanie głosu i wiele więcej online. Utwory utworzone w tym programie można zapisać w różnych formatach cyfrowych, które zostaną omówione poniżej. Można również udostępniać swoje nagrania znajomym i wspólnie je edytować.

Formaty nieskompresowane

Formaty te są uważane za najlepszy sposób przechowywania danych w celu uzyskania wysokiej jakości odtwarzania, ponieważ do wygenerowania danych audio wymagane jest bardzo niewielkie przetwarzanie. Bardziej skompresowane formaty mogą powodować awarie audio w niektórych systemach.

AIFF – standard Apple

WAVE (lub WAV) – standard nieskompresowanego dźwięku o jakości CD w systemach Windows, wykorzystujący format nagrywania PCM. Nagrania o jakości CD mają częstotliwość próbkowania 44,1 kHz i rozdzielczość 16 bitów.

Rozmiar pliku: około 10,1 MB na minutę. Liczba ta jest taka sama dla wszystkich plików WAV o jakości CD, ponieważ rozmiar pliku zależy wyłącznie od jego długości, a nie od zawartości audio.

BWF (Broadcast Wave Format) – używany w przenośnych rejestratorach audio i cyfrowych stacjach roboczych audio do transmisji.

Kompresja bezstratna

Formaty z tej kategorii zawierają pełne informacje audio. Jednak rozmiar pliku jest mniejszy dzięki bardziej wydajnemu przechowywaniu danych.

Bezstratny WMA (Windows Media Audio) – zaprojektowany z możliwością zarządzania prawami cyfrowymi (DRM) w celu ochrony przed kopiowaniem.

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – format open source, bezpłatny od 2011 r. (chociaż pierwotnie był własnością firmy Apple).

FLAC (Free Lossless Audio Codec) – format open source, licencjonowany bezpłatnie.

Kompresja stratna

MP3 – skompresowany format plików audio opracowany przez Motion Picture Expert Group (MPEG) w ramach standardu wideo MPEG1, a następnie rozszerzony do standardu MPEG2 Layer 3.

Dzięki eliminacji praktycznie niesłyszalnych fragmentów pliku audio, pliki mp3 są kompresowane do około jednej dziesiątej rozmiaru równoważnego pliku PCM, przy zachowaniu dobrej jakości dźwięku.

Istnieją 2 parametry, które można dostosować, aby zmienić jakość i rozmiar pliku MP3:

• Szybkość transmisji;
• Częstotliwość próbkowania.

MP4 lub M4A – następca formatu MP3 oparty na kompresji AAC.

M4P – zastrzeżona wersja AAC w formacie MP4 z cyfrowym zarządzaniem prawami, opracowana przez firmę Apple do użytku w muzyce pobieranej z ich sklepu iTunes Music Store.

OGG Ogg Vorbis – nieobjęty patentem, otwarty format skompresowanego dźwięku.

Zalety i wady nagrań cyfrowych

Technologia cyfrowa dała użytkownikom wiele możliwości. Na przykład dawniej, aby dokonać nagrania, trzeba było korzystać ze studiów, które zajmowały dużo miejsca i kosztowały dużo pieniędzy. Teraz wystarczy potężny komputer, który jest wielokrotnie wydajniejszy od studia i kosztuje znacznie mniej.

Taka dostępność pozwala nie tylko profesjonalistom, ale także amatorom na tworzenie nagrań dźwiękowych. Programy, które są obecnie używane, dają praktycznie nieograniczone możliwości przetwarzania dźwięku, podczas gdy wcześniej do tego celu używano prawdziwych narzędzi. Teraz można stworzyć unikalny efekt za pomocą zaledwie kilku kliknięć w Amped Studio.

Dla zwykłych użytkowników cyfrowe nagrywanie dźwięku ma również wiele zalet:

• wiele nośników danych jest bardzo kompaktowych i pozwala przechowywać nagrania cyfrowe przez lata na pendrive'ach, płytach CD itp.
• specjalne oprogramowanie pozwala oczyścić stare nagrania, a także pozbyć się szumów;
• ponadto wszystkie dźwięki można edytować, dodając efekty, regulując głośność, częstotliwość itp.

Dzięki internetowi użytkownicy otrzymali możliwość wysyłania sobie nawzajem ulubionych utworów muzycznych, słuchania dziesiątek tysięcy różnych utworów oraz publikowania własnych dzieł muzycznych.

Ponadto systemy analogowe mają tę wadę, że zniekształcenia zwiększają się podczas odtwarzania i ponownego nagrywania. Każda kolejna kopia będzie brzmiała gorzej. W cyfrowym systemie nagrywania zniekształcenia te nie występują. Nagranie master może zawierać minimalne błędy kwantyzacji, ale nie pogarszają się one podczas kopiowania. Cyfrowy master może być kopiowany tysiące razy bez zniekształceń. Podobnie nośniki cyfrowe na płytach CD mogą być odtwarzane tysiące razy bez zniekształceń.

Oczywiście technologia cyfrowa ma swoje wady. Wraz z jej rozwojem wiele osób zaczęło dostrzegać, że nagrania analogowe mają bardziej „żywy dźwięk”. Nie jest to jednak tylko nostalgia za dawnymi czasami. Chodzi o digitalizację, która czasami powoduje błędy w dźwięku. Ponadto „szum tranzystorowy” może powodować własne korekty. Nie ma jednej interpretacji tego pojęcia, ale jego znaczenie to chaotyczne drgania na poziomie wysokich częstotliwości. Chociaż ludzkie ucho jest przystosowane do odbierania częstotliwości nie wyższych niż 20 kHz, nasz mózg wydaje się być w stanie odbierać również wyższe częstotliwości. Ta cecha sprawia, że uważamy dźwięk analogowy za czystszy niż dźwięk cyfrowy.

Ponadto wszystkie nośniki nagrań są niedoskonałe z powodu kurzu lub innych zanieczyszczeń, które uniemożliwiają sprzętowi przechwytywanie danych na nośniku. W nagraniach analogowych defekty pojawiają się jako słyszalny szum, natomiast w nagraniach cyfrowych powodują błędy w strumieniu bitów, które mogą prowadzić do szumu lub awarii odtwarzania. Aby rozwiązać ten problem, w strumieniu danych osadza się kody korekcji błędów. Niektóre z tych kodów mogą być bardzo złożone, a ponadto powodują, że dane zajmują więcej miejsca w pamięci. W rezultacie uzyskuje się jednak bardzo niezawodne odtwarzanie płyt przy rozsądnym poziomie zapylenia i zarysowań.

Kluczowe terminy w nagrywaniu cyfrowym

Bity i bajty

Bit to najmniejszy element zawierający dane w pamięci komputera. Osiem bitów tworzy bajt, który jest traktowany przez komputery jako całość.

Wysoka gęstość

Oznacza to możliwość przechowywania dużych plików audio, wideo lub danych na niewielkiej przestrzeni.

Parametry nagrywania cyfrowego

Parametry wpływające na jakość nagrania cyfrowego obejmują:

• Rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) i przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC);
• Częstotliwości próbkowania przetwornika ADC i DAC;
• Jitter (zniekształcenie sygnału) przetwornika ADC i DAC;
• Przebranie próbkowania.

Ponadto ważną rolę odgrywają takie ustawienia, jak:

• Poziom szumu w stosunku do sygnałów;
• Wielkość zniekształceń nieliniowych;
• Zakłócenia intermodulacyjne;
• Nieregularności amplitudy i częstotliwości;
• Proces wzajemnej penetracji kanałów;
• Dynamika zasięgu.

Opis procesu nagrywania cyfrowego

Nagrywanie odbywa się w następujący sposób:

1. Sygnał analogowy jest przesyłany do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC);
2. Konwersja tego sygnału, podczas której fala analogowa jest wielokrotnie mierzona. Następnie przypisywana jest do niego wartość binarna z liczbą bitów (długość słowa);
3. Następnie odbywa się próbkowanie, czyli częstotliwość, z jaką przetwornik ADC mierzy poziom fali analogowej;
4. Ustawiona długość słowa, która jest cyfrową próbką dźwięku, reprezentuje poziom dźwięku w ciągu jednej sekundy;
5. Rozmiar długości słowa określa dokładność wyświetlania poziomu przebiegu fali dźwiękowej;
6. Częstotliwość sygnału cyfrowego zależy od wysokości częstotliwości próbkowania;
7. Powstałe cyfrowe próbki audio, które są stałym strumieniem liczb, są wysyłane do przetwornika ADC;
8. Powstałe liczby binarne mogą być następnie zapisane na różnych nośnikach danych.

Sposób odtwarzania:

1. Liczby są wysyłane z nośnika do przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC), który przekształca je z powrotem na sygnał analogowy, łącząc dane dotyczące poziomu. Powoduje to przywrócenie analogowej fali dźwiękowej do poprzedniej postaci;
2. Sygnał jest wzmacniany i zaczyna być wysyłany do głośników lub ekranów.

Wnioski

Rejestracja cyfrowa zrewolucjonizowała przemysł muzyczny i nie tylko, spychając swojego analogowego poprzednika do historii. Dzięki swoim zaletom i przystępnej cenie technologia ta znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach i trudno wyobrazić sobie dzisiejszy świat bez niej.