Razumevanje osnov digitalnih zvočnih datotek
Če ste v poznih 40-ih ali starejši, potem ste verjetno odraščali z gramofonom ali kasetofonom doma kot načinom poslušanja glasbe, kupljene v trgovini. Med letoma 1982 in 1983 je zgoščenka vstopila na trg in za vedno spremenila način shranjevanja in prenašanja glasbe. V tem članku si bomo ogledali, kako deluje digitalni zvok, in razblinili nekatere mite o pretvorbi med analogno in digitalno domeno.
Kaj je digitalni zvok?
Z najenostavnejšim izrazom je digitalna zvočna datoteka predstavitev analognega signala z uporabo serije digitalnih besed. V digitalni domeni, tj. računalniku, so lahko informacije shranjene kot 1 ali 0.
Računalniki lahko kombinirajo nize 1 in 0, da predstavljajo znake v besedilnem dokumentu, barve na fotografiji, ukaze v programu ali nivoje napetosti v zvočni datoteki.
Že desetletja je standard za shranjevanje zvoka v digitalni domeni standard Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) s frekvenco vzorčenja 44,1 kHz in globino 16 bitov.
Hitrost vzorčenja opisuje, kako pogosto se nivo napetosti meri in shrani. Za zajem celotnega slišnega spektra zvoka Nyquist-Shannonov izrek o vzorčenju navaja, da mora biti stopnja vzorčenja vsaj dvakrat višja od najvišje frekvence, ki jo želite posneti, da jo lahko poustvarite z natančnostjo.
Drugi premislek pri pretvorbi analognega signala v digitalno domeno je potreba po shranjevanju ustrezne količine ločljivosti za pravilno predstavitev izvirnega signala. Standard Red Book uporablja dolžino digitalne besede 16 bitov. To pomeni, da obstaja niz 16 1 in 0, ki jih je mogoče uporabiti za predstavitev 65.536 napetostnih nivojev. Če pretvarjate izhod mikrofona v digitalni in je največja napetost 1 volt, potem ločljivost 16 bitov pomeni, da je ločljivost 0,000015258789 voltov. To je veliko podrobnosti.
Končno standard Rdeče knjige navaja, da bosta hkrati vzorčena dva kanala zvoka, da se ustvari stereo posnetek.
Nekaj hitre matematike o zvoku kakovosti CD
Za tiste, ki jih zanima, je enostavno izračunati efektivno bitno hitrost zvočne datoteke CD-kakovosti. Ker zvočni signal vzorčimo pri 44.100-krat na sekundo in ima vsak vzorec nivo napetosti, ki ga predstavlja 16-bitna beseda, in to naredimo za dva kanala, je 44.100-krat 16-krat dva 1.411.200 ali 1,411 kilobitov na sekundo.
Če želite izračunati, koliko prostora bi potrebovali za shranjevanje skladbe, kot je "Bohemian Rhapsody" skupine Queen, lahko preprosto pomnožite 1.411.200 s številom sekund v pesmi (v tem primeru 355 sekund) za skupno 500.976.000 bitov ali približno 60 megabajtov podatkov.
Kako so ustvarjene digitalne zvočne datoteke?
Naprava, imenovana analogno-digitalni pretvornik (ADC), je odgovorna za sprejem analognega signala in njegovo pretvorbo v digitalno predstavljeno vrednost. Te naprave so običajne in so povezane z mikrofonom v vašem pametnem telefonu ali mikrofonom Bluetooth v vašem avtomobilu. So neverjetno kompaktni in v primerjavi s časom, ko so bili prvič predstavljeni, poceni.
ADC deluje na več načinov, vendar bomo opisali osnove. Predstavljajte si, če hočete, niz primerjalnih stikal, vsako naloženo eno na drugo in povezano z vedno večjo napetostjo. Primer bomo ohranili preprost in rekli, da imamo osem stikal, od katerih se vsako sproži pri
0,125-voltni prirastki. Če v drevo primerjalnih stikal vnesemo analogni signal z nivojem 0,3 volta, se bosta spodnji dve stikali vklopili in dobili bomo digitalno besedo 0010 (kar je 2). Če povečamo napetost na 0,8 volta, sprožimo vsa stikala razen zadnjih dveh in dobimo besedo 0110 (kar je 6).
Štetje v digitalni obliki
Štetje v digitalni obliki je preprosto, ko razumete, kako deluje. Vsak presledek v digitalni besedi predstavlja vrednost 2 na potenco lokacije. Torej, prvi presledek je 2 na potenco 0, kar je 1. Drugi presledek je 2 na potenco 1, kar je 2, naslednji presledek je 2 na potenco 2, kar je 4, in tako naprej.
2^0 =1 2^1 =2 2^2 =4 2^3 =8
Za kodiranje vrednosti s to obliko zapisa preprosto dodelimo 1 ali 0 vsakemu nadomestnemu znaku, tako da vrednosti vsote, ki jih predstavljajo nadomestni znaki z 1, predstavljajo izvirno vrednost.
0000 =0 0001 =1 0010 =2 0011 =3 0100 =4
0101 =5 0110 =6 0111 =7 1000 =8
V zgornjem primeru uporabljamo zelo nizko ločljivost 3 bitov, kar pomeni, da lahko prikažemo samo osem različnih ravni. Ta omejena ločljivost seveda povzroči nekaj napake – znane kot napaka kvantizacije. Matematika se lahko zelo hitro zelo zaplete. Dovolj je reči, da v našem primeru naš teoretični digitalizator ne pozna razlike med napetostjo 0,63 in 0,73 volta. To je velika napaka in ne bi delovala pri poskusu vzorčenja zvoka. Na srečo nam naša 16-bitna ločljivost ponuja 65.536 ravni, med katerimi lahko izbiramo.
Kaj pa tisti nori grafi po stopnicah?
Nedvomno ste videli tržne slike, ki prikazujejo primerjavo zvočne ločljivosti CD-kakovosti z 96-bitnim zvokom visoke ločljivosti 96 kHz.
Čeprav je koncept višje stopnje vzorčenja in večje ločljivosti točen, to ne pomeni, da je zvočni signal CD-kakovosti kakor koli prizadet.
Da bi to dokazali, smo v programu Adobe Audition ustvarili dva preizkusna tona 20 kHz. Prva skladba ima frekvenco vzorčenja 96 kHz in ločljivost 24 bitov.
Kot lahko vidite, je valovna oblika videti gladka in podrobna ter prikazuje približno pet vzorcev na cikel.
Druga skladba je isti sinusni val 20 kHz, shranjen pri frekvenci vzorčenja 44,1 kHz in ločljivosti 16 bitov.
Kot lahko vidite, ni bistvene razlike v obliki obeh valovnih oblik. Še pomembneje pa je, da sta oba videti kot sinusni val in v nobenem ni nobenega koraka.
Razumevanje digitalnega zvoka
Shranjevanje zvočnega signala v digitalni domeni ponuja različne prednosti pakiranja in zanesljivosti v primerjavi z analognimi mediji za shranjevanje, kot so vinilne plošče in magnetni trakovi. Seveda se digitalne datoteke sčasoma ne poslabšajo. Digitalne datoteke so prav tako neprepustne za težave s hitrostjo predvajanja. Če vaš gramofon ali kasetofon predvaja prepočasi, glasba ne bo zvenela pravilno.
V prihodnjem članku si bomo ogledali možnosti zapisa datotek, ki so na voljo za shranjevanje digitalnih zvočnih datotek. Do takrat pa se oglasite pri lokalnem specializiranem prodajalcu opreme za mobilne naprave in si oglejte vse najnovejše nadgradnje izvorne enote, združljive z digitalnimi mediji, ki so na voljo za vaš avto, tovornjak ali SUV.