Основные сведения о цифровых аудиофайлах

Если вам за 40 или больше, то вы, вероятно, выросли с проигрывателем или магнитофоном в своем доме, чтобы слушать купленную в магазине музыку. Между 1982 и 1983 годами на рынке появились компакт-диски, навсегда изменившие способ хранения и транспортировки музыки. В этой статье мы рассмотрим, как работает цифровое аудио, и развеем некоторые мифы о переходе между аналоговым и цифровым доменами.

Что такое цифровое аудио?

Проще говоря, цифровой аудиофайл представляет собой представление аналогового сигнала с помощью набора цифровых слов. В цифровом домене, то есть на компьютере, информация может храниться как 1 или 0.

Компьютеры могут комбинировать строки из 1 и 0 для представления символов в текстовом документе, цветов на фотографии, команд в программе или уровней напряжения в аудиофайле.

В течение десятилетий стандартом для хранения аудио в цифровой области был стандарт Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) с частотой дискретизации 44,1 кГц и глубиной 16 бит.

Частота дискретизации описывает, как часто измеряется и сохраняется уровень напряжения. Согласно теореме Найквиста-Шеннона, чтобы захватить весь слышимый спектр звука, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше, чем самая высокая частота, которую вы хотите записать, чтобы она была воссоздана с точностью.

Вторым соображением при преобразовании аналогового сигнала в цифровую область является необходимость сохранения разрешения, достаточного для правильного представления исходного сигнала. Стандарт Red Book использует цифровую длину слова 16 бит. Это означает, что существует строка из 16 единиц и нулей, которая может использоваться для представления 65 536 уровней напряжения. Если вы преобразуете выход микрофона в цифровой, и максимальное напряжение составляет 1 вольт, то разрешение 16 бит означает, что разрешение составляет 0,000015258789 вольт. Очень много деталей.

Наконец, в стандарте Red Book указано, что для создания стереозаписи будут одновременно сэмплироваться два аудиоканала.

Небольшой математический расчет аудио качества компакт-диска

Для тех, кто заинтересован, легко рассчитать эффективный битрейт аудиофайла с качеством CD. Поскольку мы сэмплируем аудиосигнал с частотой 44 100 раз в секунду, и каждый сэмпл имеет уровень напряжения, представленный 16-битным словом, и мы делаем это для двух каналов, 44 100 раз 16 раз два — это 1 411 200 или 1,411 килобит в секунду.

Чтобы рассчитать, сколько места потребуется для хранения такой песни, как «Bohemian Rhapsody» группы Queen, вы можете просто умножить 1 411 200 на количество секунд в песне (в данном случае 355 секунд), чтобы получить в общей сложности 500 976 000 битов, или около 60 мегабайт данных.

Как создаются цифровые аудиофайлы?

Устройство, называемое аналого-цифровым преобразователем (АЦП), отвечает за прием аналогового сигнала и преобразование его в цифровое представление. Эти устройства широко распространены и подключаются к микрофону вашего смартфона или Bluetooth-микрофону в автомобиле. Они невероятно компактны и недороги по сравнению с тем, когда они были впервые представлены.

АЦП работают несколькими способами, но мы опишем основы. Представьте себе, если хотите, серию переключателей компаратора, каждый из которых расположен один над другим и привязан к постоянно растущему напряжению. Мы упростим пример и скажем, что у нас есть восемь переключателей, каждый из которых срабатывает в

с шагом 0,125 В. Если мы подадим аналоговый сигнал в наше дерево переключателей компаратора с уровнем 0,3 вольта, включатся два нижних переключателя, и мы получим цифровое слово 0010 (которое равно 2). Если мы увеличим напряжение до 0,8 вольта, мы активируем все переключатели, кроме двух последних, и получим слово 0110 (которое равно 6).

Счет в цифрах

Считать в цифре легко, если вы понимаете, как это работает. Каждый пробел в цифровом слове представляет значение 2 в степени местоположения. Итак, первый пробел равен 2 в степени 0, что равно 1. Второй пробел равен 2 в степени 1, что равно 2, следующий пробел равен 2 в степени 2, что равно 4, и так далее.

2^0 =1 2^1 =2 2^2 =4 2^3 =8

Чтобы закодировать значение с использованием этого формата, мы просто присваиваем 1 или 0 каждому заполнителю, чтобы суммарные значения, представленные заполнителями с 1, представляли исходное значение.

0000 =0 0001 =1 0010 =2 0011 =3 0100 =4

0101 =5 0110 =6 0111 =7 1000 =8

В нашем примере выше мы используем очень низкое разрешение в 3 бита, что означает, что мы можем показать только восемь различных уровней. Это ограниченное разрешение, конечно, вносит некоторую ошибку, известную как ошибка квантования. Математика может очень быстро стать очень сложной. Достаточно сказать, что в нашем примере наш теоретический дигитайзер не знает разницы между напряжением 0,63 и 0,73 вольта. Это большая ошибка, и она не будет работать при попытке сэмплировать звук. К счастью, наше 16-битное разрешение дает нам 65 536 уровней на выбор.

А как насчет этих сумасшедших ступенчатых графиков?

Вы, несомненно, видели рекламные изображения, показывающие сравнение разрешения звука CD-качества с высоким разрешением 96 кГц, 24-битного звука.

Хотя концепция более высокой частоты дискретизации и большего разрешения верна, это не означает, что аудиосигнал CD-качества каким-либо образом страдает.

Чтобы продемонстрировать это, мы создали два тестовых тона по 20 кГц в Adobe Audition. Первая дорожка имеет частоту дискретизации 96 кГц и разрешение 24 бита.

Как видите, осциллограмма выглядит гладкой и детализированной и показывает примерно пять отсчетов за цикл.

Вторая дорожка — это та же синусоида 20 кГц, сохраненная с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрешением 16 бит.

Как видите, существенной разницы в форме двух сигналов нет. Что еще более важно, они оба выглядят как синусоидальные волны, и ни в одном из них нет шага.

Понимание цифрового аудио

Хранение аудиосигнала в цифровом формате предлагает явные преимущества упаковки и надежности по сравнению с аналоговыми носителями, такими как виниловые пластинки и магнитные ленты. Конечно, цифровые файлы со временем не портятся. Цифровые файлы также не подвержены проблемам со скоростью воспроизведения. Если ваш проигрыватель грампластинок или кассетная дека играет слишком медленно, музыка будет звучать неправильно.

В следующей статье мы рассмотрим параметры формата файла, доступные для хранения цифровых аудиофайлов. А до тех пор обязательно загляните к местному специализированному продавцу мобильных аксессуаров, чтобы узнать обо всех последних обновлениях исходных устройств, совместимых с цифровым медиа, доступных для вашего автомобиля, грузовика или внедорожника.