Nagrywanie cyfrowe

Cyfrowe nagrywanie dźwięku to przechowywanie sygnałów audio lub wizualnych w postaci sekwencji cyfr binarnych, które można przechowywać na taśmie magnetycznej, dysku optycznym 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 analogowego obrazu wizualnego w informację. Od momentu pojawienia się technologia cyfrowa powoli, ale skutecznie wypierała sprzęt analogowy ze względu na jego taniość i łatwość użycia. Dziś dźwięk cyfrowy to standard w niemal wszystkich studiach, zarówno profesjonalnych, jak i amatorskich. Jednak zaskakująco niewiele osób naprawdę rozumie, jak to działa. Zatem dzisiaj porozmawiamy o podstawach cyfrowego dźwięku do nagrywania muzyki.

Historia stworzenia

Od odkrycia pierwszego urządzenia rejestrującego dźwięk do wprowadzenia zapisu cyfrowego minęło sto lat. W tym czasie ciągły postęp technologiczny i niekończące się innowacje wprowadzane przez naukowców i techników zaowocowały kilkoma różnymi falami mechanicznego przechwytywania, przetwarzania i odtwarzania dźwięku. Przemysł nagraniowy zrobił ogromny krok naprzód wraz z wynalezieniem komputerów i dźwięku cyfrowego. Zaczęło się od prostych folii cynowych i cylindrów woskowych, na których membrana rejestrująca gramofonów zbierała i starannie grawerowała informacje dźwiękowe. Następnie kontynuowano rozwój kaset, które pozwalały słuchaczom cieszyć się dźwiękiem wielokanałowym.

Pionierami zapisu cyfrowego byli Japończycy, którym już pod koniec lat 60. udało się utrwalić takie nagranie na taśmie magnetycznej i zaprezentować je publiczności. Za dziesięć lat pokazano rejestrator dźwięku Sony. Był w stanie stworzyć dźwięk cyfrowy z analogowego, przechowując go na VHS. Niemniej jednak muzyka nadal była sprzedawana na winylu.

Sytuacja zaczęła się zmieniać pod koniec lat 70. XX wieku, kiedy firmy Sony i Panasonic zaczęły prezentować płyty CD — prawdziwie cyfrowy nośnik umożliwiający przechowywanie do 150 minut dźwięku wysokiej jakości. Płyta CD przechowuje informacje za pomocą cienkiej warstwy folii aluminiowej, na której odciśnięte są miliony bitów danych we wzór, który można odczytać za pomocą lasera i przekształcić elektronicznie na sygnał analogowy.

Pojawienie się płyt CD w końcu pozwoliło inżynierom wyeliminować hałas powodowany tarciem pomiędzy igłą a materiałem przechowującym. To i wiele innych zalet sprawiło, że płyty CD stały się jednym z najpopularniejszych nośników dźwięku końca XX i początku XXI wieku. Jednak przemysł muzyczny był sceptyczny wobec płyt CD, ponieważ zapewniały one niemal idealną jakość dźwięku i były łatwo pirackie dla użytkowników. Aby rozwiązać te problemy, w 1987 roku stworzyli kolejny nośnik cyfrowy zwany cyfrową kasetą audio (DAT). Ten nowy format odniósł umiarkowany sukces w Ameryce Północnej i przetrwał do dziś jako jeden z preferowanych sposobów manipulowania profesjonalnymi nagraniami audio.

Na początku XXI wieku nastąpił rozwój dźwięku cyfrowego, który nie był powiązany z nośnikami fizycznymi. Postęp w kodekach kompresyjnych (głównie MP3), infrastrukturze internetowej i miniaturyzacja osobistych odtwarzaczy cyfrowych umożliwił użytkownikom noszenie przy sobie cyfrowych nagrań, gdziekolwiek się udali. Chociaż pod koniec lat 90. było kilku wpływowych odtwarzaczy MP3, przemysł muzyczny zmienił się znacząco wraz z wprowadzeniem iPoda firmy Apple. To niezwykle popularny odtwarzacz audio, który położył podwaliny pod dzisiejsze cyfrowe sklepy muzyczne i infrastrukturę dystrybucji internetowej dla klientów.

Porównanie z nagrywaniem analogowym

Przed rewolucją cyfrową lat 70. XX w. nagrania analogowe były jedynymi szeroko stosowanymi. Używali różnych, obecnie przestarzałych metod, takich jak płyty long play (LP), taśmy ośmiościeżkowe (na taśmie metalowej lub magnetycznej) i kasety audio. Od początku XX wieku do lat 70. XX wieku system analogowy wydawał się idealny do nagrywania, ale wraz z rewolucją komputerową pod koniec stulecia duża prędkość i inne cechy przetwarzania cyfrowego sprawiły, że nagrywanie cyfrowe było nie tylko możliwe, ale także coraz bardziej odpowiednie dla wielu osób. Aplikacje.

Ważną rolę odegrały także stale spadające koszty, spowodowane masową produkcją komputerów, dysków optycznych, odtwarzaczy laserowych i innych urządzeń. Nagrywanie cyfrowe jest łatwiejsze do odtwarzania w wysokiej jakości, ponieważ zapewnia szeroki zakres dynamiki oraz niski poziom szumów i zniekształceń przy odpowiedniej implementacji.

Cyfrowe formaty nagrywania

Cyfrowe pliki audio można tworzyć w różnych formatach. Ogólnie można je podzielić na dwie kategorie – skompresowane i nieskompresowane.

Formaty skompresowane (takie jak MP3) mają znacznie mniejszy rozmiar pliku niż formaty nieskompresowane, ale pogarszają jakość dźwięku. Urządzenia przenośne (takie jak odtwarzacze MP3) stanowią kompromis pomiędzy niższą jakością a możliwością przechowywania tysięcy plików. Jakość usług przesyłania strumieniowego (takich jak Spotify) można poprawić, jeśli korzystasz z Wi-Fi lub masz dobre połączenie do transmisji danych.

Pliki dźwiękowe można tworzyć za pomocą sekwencerów. Istnieją zarówno płatne, jak i bezpłatne usługi, takie jak Amped Studio, które pozwala tworzyć i edytować muzykę, tworzyć złożone miksy, nagrywać głos i wiele więcej online. Utwory utworzone w tym programie można zapisać w różnych formatach cyfrowych, co zostanie omówione poniżej. Możesz także udostępniać swoje nagrania znajomym i wspólnie je edytować.

Nieskompresowane formaty

Takie formaty są uważane za najlepszy sposób przechowywania danych w celu odtwarzania ich w wysokiej jakości, ponieważ do wytworzenia danych audio potrzeba bardzo niewiele przetwarzania. Bardziej skompresowane formaty mogą powodować awarie dźwięku w niektórych systemach.

AIFF – standard Apple

WAVE (lub WAV) – standard nieskompresowanego dźwięku o jakości CD w systemach Windows, który wykorzystuje nagrywanie w formacie PCM. Nagrywanie w jakości CD odbywa się z częstotliwością próbkowania 44,1 kHz i rozdzielczością 16-bitową.

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

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

Kompresja bezstratna

Formaty w tej kategorii zawierają pełną informację audio. Jednak przy zmniejszonym rozmiarze pliku kosztem bardziej wydajnego przechowywania danych.

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

ALAC (Apple Lossless Audio Codec) – open source, z którego można korzystać bezpłatnie od 2011 roku (choć pierwotnie był własnością Apple).

FLAC (Free Lossless Audio Codec) – open source, licencja na darmowy format.

Kompresja stratna

MP3 – format skompresowanego pliku audio opracowany przez grupę Motion Picture Expert Group (MPEG) jako część standardu wideo MPEG1, a później rozszerzony do standardu MPEG2 Layer 3.

Eliminując praktycznie niesłyszalne części pliku audio, pliki mp3 są kompresowane do około jednej dziesiątej rozmiaru odpowiadającego im pliku PCM, przy jednoczesnym 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 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 iTunes Music Store.

OGG Ogg Vorbis – wolny od patentów, skompresowany format audio typu open source.

Zalety i wady nagrywania cyfrowego

Technologia cyfrowa dała użytkownikom wiele możliwości. Na przykład w dawnych czasach, aby dokonać nagrania, trzeba było korzystać ze studiów, które zajmowały dużo miejsca i kosztowały mnóstwo pieniędzy. Teraz wystarczy mocny komputer, który ma wielokrotnie większą moc niż studio i kosztuje znacznie mniej.

Taka dostępność pozwala na nagrywanie dźwięku nie tylko profesjonalistom, ale także amatorom. Obecnie stosowane programy dają praktycznie nieograniczone możliwości obróbki dźwięku, podczas gdy wcześniej używano do tego prawdziwych narzędzi. Teraz możesz stworzyć niepowtarzalny efekt za pomocą kilku kliknięć w Amped Studio.

Dla zwykłych użytkowników cyfrowe nagrywanie dźwięku ma również wiele zalet:

• wiele nośników pamięci jest bardzo kompaktowych i może przechowywać nagrania cyfrowe przez lata na dyskach flash, płytach CD itp.;
• specjalne oprogramowanie pozwala wyczyścić stare nagrania i pozbyć się szumów;
• co więcej, wszystkie dźwięki można edytować, dodając efekty, głośność, częstotliwość itp.

Dzięki Internetowi użytkownicy zyskali możliwość przesyłania sobie nawzajem swoich ulubionych utworów muzycznych, słuchania dziesiątek tysięcy różnych utworów, a także publikowania własnych utworów muzycznych.

Ponadto systemy analogowe mają tę wadę, że zniekształcenia zwiększają się w miarę odtwarzania i ponownego nagrywania. Każdy kolejny egzemplarz będzie słyszalny gorzej. W cyfrowym systemie nagrywania takie zniekształcenia nie występują. Nagranie główne może zawierać minimalne błędy kwantyzacji, ale kopiowanie ich nie pogarsza. Cyfrowy mistrz może wykonać tysiące kopii bez zniekształceń. Podobnie multimedia cyfrowe na płytach CD można odtwarzać tysiące razy bez zniekształceń.

Z pewnością technologia cyfrowa ma swoje wady. Wraz z ich rozwojem wiele osób zaczęło zauważać, że nagrania analogowe mają bardziej „żywy dźwięk”. Ale to nie tylko nostalgia za dawnymi czasami. Chodzi o cyfryzację, która czasem dodaje do dźwięku błędy. Ponadto „szum tranzystorowy” może dokonywać własnych korekt. Nie ma jednej interpretacji tego pojęcia, ale jego znaczenie to chaotyczna wibracja na poziomie wysokiej częstotliwości. Chociaż ludzkie ucho jest zaprojektowane tak, aby odbierać częstotliwości nie wyższe niż 20 kHz, wydaje się, że nasz mózg jest w stanie odbierać również wyższe częstotliwości. Ta funkcja pozwala nam sądzić, że dźwięk analogowy jest czystszy niż dźwięk cyfrowy.

Co więcej, wszystkie nośniki zapisu są niedoskonałe ze względu na kurz lub inne zanieczyszczenia, które uniemożliwiają sprzętowi przechwytywanie danych na nośniku. W nagraniu analogowym defekty pojawiają się w postaci słyszalnego szumu, podczas gdy w nagraniu cyfrowym powodują błędy w strumieniu bitów, które mogą prowadzić do szumów lub błędów w odtwarzaniu. Aby rozwiązać ten problem, w strumieniu danych osadzane są kody korekcji błędów. Niektóre z tych kodów mogą być bardzo złożone, a także powodują, że dane zajmują więcej miejsca na dysku. Rezultatem jest jednak wysoce niezawodne odtwarzanie płyt przy rozsądnym poziomie kurzu i zarysowań.

Kluczowe terminy w nagraniu cyfrowym

Bity i bajty

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

Duża gęstość

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

Parametry zapisu cyfrowego

Do parametrów wpływających na jakość nagrania cyfrowego zaliczają się:

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

Ponadto ważną rolę odgrywają takie ustawienia jak poniższe:

• Ile szumu jest w odniesieniu do sygnałów;
• Wielkość zniekształceń typu nieliniowego;
• Zakłócenia intermodulacyjne;
• Nieregularności amplitudy i częstotliwości;
• Proces wzajemnego przenikania kanałów;
• Dynamika zasięgu.

Opis procesu nagrywania cyfrowego

Nagrywanie odbywa się w następujący sposób:

1. Sygnał analogowy jest przesyłany do przetwornika ADC;
2. Konwersja tego sygnału, podczas której mierzony jest wielokrotnie przebieg analogowy. Następnie przypisywana jest do niego wartość binarna z liczbą bitów (długość słowa);
3. Następnie następuje próbkowanie, czyli częstotliwość, przy której przetwornik ADC mierzy poziom fali analogowej;
4. Ustawiona długość słowa, która jest cyfrową próbką dźwięku, reprezentuje jednosekundowy poziom dźwięku;
5. Rozmiar długości słowa określa dokładność wyświetlania poziomu 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 można następnie przechowywać na różnych nośnikach.

Sposób odtwarzania:

1. Liczby są przesyłane z nośnika średniego do przetwornika cyfrowo-analogowego, który przekształca je z powrotem w sygnał analogowy poprzez połączenie danych o poziomie. Spowoduje to przywrócenie poprzedniego kształtu fali analogowej;
2. Sygnał zostaje wzmocniony i zaczyna być przesyłany do głośników lub ekranów.

Wniosek

Nagrywanie cyfrowe zrewolucjonizowało przemysł muzyczny i nie tylko, wypychając do historii analogowego poprzednika. Dzięki swoim zaletom i przystępnej cenie technologia znalazła zastosowanie w wielu dziedzinach i trudno wyobrazić sobie dzisiejszy świat bez niej.