Audio digital
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El audio digital es el resultado de convertir una señal de audio analógica en un formato de audio digital .
El método de conversión más simple, la modulación de código de pulso (PCM), consiste en presentar una secuencia de niveles de señal instantáneos medidos por un convertidor de analógico a digital ( ADC ) a intervalos regulares.
Una variación de PCM es la modulación delta , donde en cada momento de la muestra la señal se compara con un voltaje de diente de sierra en cada paso de muestreo .
Modulación sigma-delta ': un método de representación de señal basado en el principio de sobremuestreo y generación de ruido de cuantificación , le permite reducir el nivel de ruido .
Los métodos modernos utilizan algoritmos de transformación más complejos . Además de representar las vibraciones del sonido en forma digital, también se utiliza la creación de comandos especiales para la reproducción automática en varios instrumentos musicales electrónicos. El ejemplo más claro de este tipo de tecnología es MIDI .
Las ventajas de un código de bits se utilizan en la transmisión de una señal codificada a distancia, encriptación de señales, firma digital de señales, restauración de pérdidas causadas por interferencias en la transmisión, así como en otras aplicaciones.
La grabación de audio digital es una tecnología para convertir audio analógico en audio digital con el fin de almacenarlo en un medio físico para que la señal grabada pueda reproducirse posteriormente.
La presentación de datos de audio en forma digital le permite cambiar de manera muy efectiva el material de origen utilizando dispositivos especiales o programas de computadora: editores de sonido , que se usa ampliamente en la industria, la industria de los medios y la vida cotidiana.
Para reproducir sonido digital se utilizan equipos especiales, como centros de música , reproductores digitales , computadoras con tarjeta de sonido y software instalado: reproductor de audio o media player .
Historia
- En 1928 , Harry Nyquist , en su trabajo "Ciertos problemas en la teoría de la transmisión telegráfica", determinó el ancho de banda requerido de una línea de comunicación para transmitir una señal pulsada - la base del sonido digital [1]
- En 1933, V. A. Kotelnikov , en su trabajo "Sobre el rendimiento del éter y el cable en las telecomunicaciones", propuso y demostró el teorema de Kotelnikov , según el cual una señal analógica con un espectro limitado puede restaurarse de forma única y sin pérdida de sus muestras discretas tomadas con una frecuencia estrictamente mayor que el doble de la frecuencia máxima del espectro [2]
- En 1937, el científico británico Alec Reeves patentó la primera descripción de la modulación de código de pulso [3]
- En 1948, Claude Shannon publicó "Teoría matemática de la comunicación" [4] , y en 1949 - "Transmisión de datos en presencia de ruido", donde, independientemente de Kotelnikov, demostró un teorema con resultados similares al teorema de Kotelnikov , por lo tanto, en Literatura occidental, este teorema a menudo se llama el teorema de Shannon. [5]
- En 1950 , Richard Hamming publicó un artículo sobre detección y corrección de errores [6]
- En 1952 , David Huffman creó un algoritmo de codificación de prefijo de redundancia mínima (conocido como algoritmo o código de Huffman ) [6]
- En 1959 , Alex Hockwingham creó el código de corrección de errores ahora conocido como el código Bowes-Chowdhury-Hockwingham [6]
- En 1960 , Irwin Reid y Gustav Solomon, empleados del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts, inventaron el Código Reed-Solomon [6]
- En 1967 , el Instituto de Investigación Técnica de NHK presentó la primera grabadora estéreo digital de carrete a carrete en una cinta de video de 1 pulgada. El dispositivo usó grabación PCM con una profundidad de bits de 12 bits y una frecuencia de muestreo de 30 kHz usando un compander para expandir el rango dinámico [6]
- En 1969 , Sony introdujo una grabadora estéreo digital de 13 bits con una frecuencia de muestreo de 47,25 kHz, grabada en una cinta de vídeo de 2 pulgadas [6]
- En 1972 , se lanzó el primer álbum grabado a partir de una cinta maestra digital por Nippon Columbia [7]
- En 1977 , en la Tokyo Audio Exhibition , Mitsubishi , Sony e Hitachi demostraron prototipos de discos fonográficos digitales o discos de audio [6]
- En 1979 , en Europa , Philips demuestra un prototipo de CD con un diámetro de 115 mm, con la intención de convertirlo en un estándar mundial. La grabación de 14 bits a 44,050 kHz no convenía a Sony, que ofrecía la grabación de 16 bits a 50 kHz, pero al final, debido a limitaciones de formato, se decidió seleccionar una frecuencia de muestreo de 44,1 kHz y aumentar el tamaño del disco a 120 milímetro El disco es capaz de contener 74 minutos de grabación.
- En 1980 , se propuso oficialmente el estándar de disco compacto , pero se necesitaron dos años para todas las aprobaciones y mejoras [6]
- En 1982, se adoptó el estándar del sistema de CD en Europa y Japón [6]
- También en 1982, se introdujo un formato de grabación de sonido digital para cinta DASH de carrete a carrete , propuesto por Sony para grabación de estudio multicanal.
- En 1987 , Sony y Philips introdujeron el formato de casete compacto digital DAT .
- En 1992 , Philips y Matsushita introdujeron el formato de casete compacto digital con compresión MPEG1 capa 1.
- También en 1992 , Sony presentó el sistema de audio personal MiniDisc y el sistema de cine SDDS basado en el algoritmo de compresión ATRAC .
- En 1999, Sony y Philips desarrollaron el estándar SACD .
- Formato DVD-Audio introducido en 2000
El principio de la grabación de sonido digital por el método de muestreo periódico y cuantificación de la señal
El principio de la representación digital de las vibraciones de grabación de sonido es bastante simple:
El principio de funcionamiento del ADC también es bastante simple: la señal analógica recibida de micrófonos e instrumentos musicales eléctricos se convierte en digital. Esta transformación incluye las siguientes operaciones:
- La limitación de banda se realiza mediante un filtro de paso bajo para suprimir los componentes espectrales cuya frecuencia supera la mitad de la frecuencia de muestreo.
- Discretización en el tiempo, es decir, la sustitución de una señal analógica continua por una secuencia de sus valores en puntos discretos en el tiempo - muestras. Este problema se resuelve mediante el uso de un circuito especial en la entrada del ADC, un dispositivo de muestreo y retención .
- La cuantificación de nivel es el reemplazo del valor de muestra de la señal con el valor más cercano de un conjunto de valores fijos: niveles de cuantificación.
- Codificación o digitalización, por lo que el valor de cada muestra cuantificada se representa como un número correspondiente al número ordinal del nivel de cuantificación.
Esto se hace de la siguiente manera: se “corta” una señal analógica continua en tramos, con una frecuencia de muestreo, se obtiene una señal digital discreta, que pasa por el proceso de cuantificación con cierta profundidad de bit, y luego se codifica, es decir, se reemplaza por una secuencia de símbolos de código. Para la grabación de sonido de alta calidad en la banda de frecuencia de 20-20 000 Hz, se utiliza la frecuencia de muestreo estándar mínima de 44,1 kHz y superior (en la actualidad, han aparecido ADC y DAC con frecuencias de muestreo de 192,3 e incluso 384,6 kHz). Para obtener una grabación de bastante alta calidad, una profundidad de bits de 16 bits es suficiente, sin embargo, para ampliar el rango dinámico y mejorar la calidad de la grabación de sonido, se utiliza una profundidad de bits de 24 (raramente 32) bits.
Corrección de ruido y codificación de canales
La codificación de corrección de ruido permite, durante la reproducción de la señal, identificar y eliminar (o reducir la frecuencia de su aparición) errores de lectura de los medios. Para ello, durante el proceso de grabación se añade redundancia artificial (bits de control) a las muestras obtenidas a la salida del ADC, que posteriormente ayuda a restaurar la muestra dañada. Los dispositivos de grabación de audio suelen utilizar una combinación de dos o tres códigos de corrección de errores. Si el nivel seleccionado de redundancia de codificación no permite restaurar el valor correcto de la referencia, entonces se reemplaza por interpolación para excluir la aparición de un cambio abrupto en el nivel de la señal (clic).
El intercalado también se utiliza para proteger mejor contra errores de ráfaga causados por la corrupción de los medios (arañazos de CD, pliegues de cinta magnética) .
También se agregan datos auxiliares a la señal útil para facilitar la decodificación posterior. Estas pueden ser señales de código de tiempo , señales de servicio, señales de sincronización.
La codificación de canales se utiliza para hacer coincidir las señales digitales con los parámetros del canal de transmisión (grabación/reproducción). Por ejemplo, al grabar señales digitales en un medio magnético, es necesario excluir la aparición de un componente constante y componentes de baja frecuencia del espectro en la corriente de grabación (que surgen cuando aparecen largas secuencias de ceros o unos). Para ello se utilizan tablas de conversión, según las cuales las palabras de m bits de datos se reemplazan por palabras de n bits de canal, y siempre n > m. En los dispositivos de reproducción de señales digitales, el decodificador de canal extrae señales de reloj del flujo de datos general y convierte inversamente palabras de canal de n bits en palabras de datos de m bits. Después de la corrección de errores, la señal va al DAC.
El principio de funcionamiento del DAC
La señal digital recibida del decodificador se convierte en analógica. Esta transformación se lleva a cabo de la siguiente manera:
- El decodificador DAC convierte la secuencia de números en una señal cuantificada discreta
- Al suavizar en el dominio del tiempo, se genera una señal continua en el tiempo a partir de muestras discretas
- La recuperación final de la señal se realiza suprimiendo los espectros laterales en un filtro de paso bajo analógico.
Métodos de grabación de audio digital
Según el principio de registro, se distinguen los siguientes métodos:
- Grabación de sonido magnético : las señales digitales se graban en cinta magnética. Hay dos tipos de registros:
- sistema de grabación línea por línea: en el que la cinta se mueve a lo largo de un bloque de cabezales magnéticos fijos de grabación/reproducción ( DASH , DCC )
- sistema de grabación de línea oblicua - en el que la cinta se mueve a lo largo del tambor de cabezas magnéticas giratorias y la grabación se realiza oblicuamente por pistas separadas, lo que proporciona una mayor densidad que el sistema de grabación de línea longitudinal. ( R-DAT , ADAT y sistemas anteriores que consisten en un decodificador PCM y VCR)
- Registro magnetoóptico: el registro se realiza con un cabezal magnético en una capa magnetoóptica especial y, en el momento de la magnetización, se calienta brevemente con un láser a la temperatura del punto de Curie. ( Minidisco , Hi-MD )
- Grabación láser : la grabación se realiza mediante un rayo láser, que quema las depresiones (hoyos) en la capa sensible a la luz del medio óptico . ( CD , DVD-Audio , DTS , SACD )
- La grabación de sonido óptica (fotográfica) se basa en la acción de un flujo de luz sobre una capa sensible a la luz de un soporte (tira de película). ( Dolby Digital , SDDS )
- Grabación de sonido en medios electrónicos: los datos de sonido se graban utilizando una computadora personal como archivos en varios medios ( discos duros , discos ópticos regrabables , tarjetas flash , unidades de estado sólido ), mientras que no hay restricciones sobre la correspondencia obligatoria del formato de sonido con el formato de medios
En los medios digitales y en las computadoras personales, se utilizan varios formatos para almacenar sonido (música, voz, etc.) , lo que le permite elegir una relación aceptable de compresión , calidad de sonido y volumen de datos.
Formatos de archivo populares para computadoras personales y dispositivos relacionados:
Los sonidos se pueden grabar usando un micrófono, que convierte las vibraciones del sonido en el aire en una señal eléctrica. Luego, esta señal se puede cuantificar, pero la digitalización debe incluir el tamaño (volumen) y el tiempo de cuantificación.
Un poco más sobre los diferentes formatos de archivos de audio:
- WAV (pronunciado como la palabra inglesa "wave") es un formato que almacena el valor digitalizado cada vez. Esto da como resultado una gran cantidad de datos para registros a mediano plazo. Otros formatos, a su vez, utilizan algunos métodos de compresión de datos. El formato WAV es muy popular y ampliamente utilizado en aplicaciones profesionales que procesan señales de audio digitalizadas. Entre las ventajas - buena calidad de sonido; soportado en navegadores sin plugin. Sin embargo, las desventajas del formato incluyen el hecho de que los datos de audio generalmente se almacenan en un formato sin comprimir, por lo que los archivos suelen ser grandes.
- MP3 es otro formato popular de digitalización de audio que elimina partes de la señal de audio que el oído humano no puede escuchar fácilmente. El audio resultante todavía suena casi exactamente como el original, pero con muchos menos bits. Esto hace que este formato sea popular, especialmente en Internet, ya que muchos usuarios quieren música de alta calidad pero con tiempos de descarga relativamente cortos. Entre las deficiencias del formato, los usuarios señalan la posibilidad de que se requiera un reproductor independiente o un complemento de navegador para reproducir el archivo de audio.
- El formato AAC (Codificación de audio avanzada) es muy similar al MP3 compatible mencionado anteriormente, pero fue diseñado como un sucesor y ofrece mejor calidad y tamaños de archivo más pequeños. Entre las desventajas está que los archivos se pueden proteger contra copias, por lo que el usuario está limitado a dispositivos aprobados. El formato se utiliza para la música de iTunes.
- Ogg Vorbis es un formato de archivo diseñado para la distribución eficiente de archivos de audio en conexiones de ancho de banda moderado. La codificación Vorbis se puede utilizar a velocidades de bits más altas para una mayor precisión. Las ventajas son que el programa es estándar abierto y gratuito; compatible con algunos navegadores (Firefox 3.5, Chrome 4 y Opera 10.5). La popularidad de este formato llegó poco a poco.
- FLAC (Free Lossless Audio Compression) es un formato de archivo que almacena música o sonido en calidad sin pérdidas. Si el archivo está comprimido, la compresión no afecta en modo alguno a la calidad de la música, ya que los datos y el procesamiento se realizan de forma diferente que en otros formatos (por ejemplo, MP3).
- WMA (Windows Media Audio) es un formato de archivo con licencia desarrollado por Microsoft para almacenar y transmitir materiales de audio. WMA se anunció originalmente como una alternativa a MP3, pero ahora el sucesor de MP3 es AAC (utilizado por la popular tienda iTunes, como se mencionó anteriormente). Ventajas de WMA - muy buena calidad de sonido; ampliamente utilizado en Internet. Desventajas: los archivos se pueden proteger contra la copia; Algunos dispositivos requieren que descargue el reproductor por separado.
Cabe señalar que para reproducir un archivo de audio digital, debe usar algún software adicional, como reproductores de audio, complementos de audio y software de audio.
Parámetros que afectan la calidad del audio digital
Los principales parámetros que afectan la calidad de la grabación de audio digital son:
También son importantes los parámetros de la ruta analógica de los dispositivos de grabación y reproducción de audio digital:
Tecnología de audio digital
La grabación de sonido digital se lleva a cabo actualmente en estudios de grabación, bajo el control de computadoras personales y otros equipos costosos y de alta calidad. También está bastante desarrollado el concepto de “home studio”, en el que se utilizan equipos de grabación profesionales y semiprofesionales, que te permiten crear grabaciones de alta calidad en casa.
Las tarjetas de sonido se utilizan como parte de las computadoras que procesan en sus ADC y DAC, la mayoría de las veces en 24 bits y 96 kHz, un aumento adicional en la profundidad de bits y la frecuencia de muestreo prácticamente no aumenta la calidad de la grabación.
Existe toda una clase de programas de computadora : editores de sonido que le permiten trabajar con sonido:
Algunos programas simples solo le permiten convertir formatos y códecs.
Algunos tipos de audio digital en comparación
| Nombre del formato
|
profundidad de bit, bit
|
Frecuencia de muestreo, kHz
|
Número de canales
|
Flujo de datos de disco, kbit/s
|
Relación compresión/embalaje
|
| CD |
dieciséis |
44.1 |
2 |
1411.2
|
1:1 sin pérdidas
|
| Dolby Digital (AC3) |
16-24 |
48
|
6 |
hasta 640 |
~ 12: 1 con pérdida
|
| EDE |
20-24 |
48; 96 |
hasta 8 |
antes de 1536
|
~ 3: 1 con pérdida
|
| DVD de audio |
dieciséis; veinte; 24 |
44,1; 48; 88,2; 96 |
6 |
6912
|
2:1 sin pérdidas
|
| DVD de audio |
dieciséis; veinte; 24 |
176,4; 192 |
2 |
4608
|
2:1 sin pérdidas
|
| MP3 |
flotante |
hasta 48 |
2 |
hasta 320
|
~ 11: 1 con pérdida
|
| CAA |
flotante |
hasta 96 |
hasta 48 |
hasta 529
|
con pérdidas
|
| AAC+ ( SBR ) |
flotante |
hasta 48 |
2 |
hasta 320
|
con pérdidas
|
| Ogg Vorbis |
hasta 32 |
hasta 192 |
hasta 255 |
hasta 1000
|
con pérdidas
|
| AMM |
hasta 24 |
hasta 96 |
hasta 8 |
hasta 768
|
2:1, hay una versión sin pérdidas
|
Véase también
Notas
- ↑ H. Nyquist, "Ciertos temas en la teoría de la transmisión telegráfica", Trans. AIEE, vol. 47, págs. 617-644, abril. 1928
- ↑ Kotelnikov V. A. Sobre el rendimiento del "éter" y el cable en las telecomunicaciones // Uspekhi fizicheskikh nauk: Journal. - 2006. - Nº 7 . - S. 762-770 .
- ↑ Robertson, David. Alec Reeves 1902-1971 Privateline.com: Historial telefónico Archivado el 11 de mayo de 2014. (Inglés)
- ↑ Claude Shannon - Teoría matemática de la comunicación
- ↑ CE Shannon. Comunicación en presencia de ruido. proc. Instituto de Ingenieros de Radio. vol. 37. No. 1. págs. 10-21. Ene. 1949.
- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 El disco compacto: un manual de teoría y uso Autores: Ken C. Pohlmann
- ↑ Billboard 22 de agosto de 1981 - Veterano digital de 10 años del sello denon de Japón
Literatura
- Shkritek P. Guía de referencia para circuitos de sonido: Per. con alemán - M. Mir, 1991.-446 p.: il.
- Zolotukhin I.P., Izyumov A.A., Raizman M.M. Grabadores de sonido digitales. - Tomsk: "Radio y comunicación", 1990. - 160 p. — ISBN 5-256-00559-6 .
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