Razumijevanje osnova digitalnih audio datoteka

Ako ste u kasnim 40-ima ili stariji, vjerojatno ste odrasli s gramofonom ili kasetofonom u svom domu kao načinom slušanja glazbe kupljene u trgovini. Između 1982. i 1983. kompaktni disk je ušao na tržište i zauvijek promijenio način pohranjivanja i prijenosa glazbe. U ovom ćemo članku pogledati kako digitalni zvuk funkcionira i razriješiti neke od mitova oko pretvorbe između analogne i digitalne domene.

Što je digitalni zvuk?

Najjednostavnije rečeno, digitalna audio datoteka je prikaz analognog signala pomoću niza digitalnih riječi. U digitalnoj domeni, tj. računalu, informacije mogu biti pohranjene kao 1 ili 0.

Računala mogu kombinirati nizove 1 i 0 kako bi predstavili znakove u tekstualnom dokumentu, boje na fotografiji, naredbe u programu ili razine napona u audio datoteci.

Desetljećima je standard za pohranu zvuka u digitalnoj domeni bio standard Red Book Compact Disc Digital Audio (CD-DA) s brzinom uzorkovanja od 44,1 kHz s dubinom od 16 bita.

Stopa uzorkovanja opisuje koliko se često razina napona mjeri i pohranjuje. Za snimanje cijelog čujnog spektra zvuka, Nyquist-Shannonov teorem o uzorkovanju navodi da stopa uzorkovanja mora biti najmanje dvostruko veća od najviše frekvencije koju želite snimiti kako bi se ponovno stvorila s točnošću.

Drugo razmatranje pri pretvorbi analognog signala u digitalnu domenu je potreba za pohranjivanjem odgovarajuće količine razlučivosti za pravilno predstavljanje izvornog signala. Standard Red Book koristi digitalnu duljinu riječi od 16 bita. To znači da postoji niz od 16 1 i 0 koji se mogu koristiti za predstavljanje 65 536 naponskih razina. Ako pretvarate izlaz mikrofona u digitalni, a maksimalni napon je 1 volt, tada razlučivost od 16 bita znači da je razlučivost 0,000015258789 volti. To je puno detalja.

Konačno, standard Crvene knjige navodi da će dva kanala zvuka biti uzorkovana istovremeno kako bi se stvorila stereo snimka.

Nešto brze matematike o zvuku CD kvalitete

Za one koji su zainteresirani, lako je izračunati efektivnu bitrate audio datoteke CD kvalitete. Budući da uzorkujemo audio signal 44 100 puta u sekundi, a svaki uzorak ima razinu napona predstavljenu 16-bitnom riječju, a to radimo za dva kanala, 44 100 puta 16 puta dva je 1 411 200 ili 1,411 kilobita u sekundi.

Da biste izračunali koliko prostora bi bilo potrebno za pohranjivanje pjesme poput “Bohemian Rhapsody” grupe Queen, možete jednostavno pomnožiti 1.411.200 s brojem sekundi u pjesmi (u ovom slučaju 355 sekundi) za ukupno 500.976.000 bitova, ili otprilike 60 megabajta podataka.

Kako se stvaraju digitalne audio datoteke?

Uređaj koji se zove analogno-digitalni pretvarač (ADC) odgovoran je za uzimanje analognog signala i njegovo pretvaranje u digitalno predstavljenu vrijednost. Ti su uređaji uobičajeni i povezani su s mikrofonom u vašem pametnom telefonu ili Bluetooth mikrofonom u vašem automobilu. Nevjerojatno su kompaktni i, u odnosu na vrijeme kad su prvi put predstavljeni, jeftini.

ADC radi na nekoliko načina, ali mi ćemo opisati osnove. Zamislite, ako hoćete, niz usporednih sklopki, od kojih je svaka naslagana jedna na drugu i povezana sa sve većim naponom. Zadržat ćemo primjer jednostavnim i reći ćemo da imamo osam prekidača, od kojih se svaki aktivira na

Pomaci od 0,125 volta. Ako unesemo analogni signal u stablo prekidača komparatora s razinom od 0,3 volta, donja dva prekidača će se uključiti i dobit ćemo digitalnu riječ 0010 (što je 2). Ako povećamo napon na 0,8 volti, aktivirat ćemo sve osim zadnja dva prekidača i dobiti riječ 0110 (što je 6).

Digitalno brojanje

Digitalno brojanje je jednostavno, nakon što shvatite kako funkcionira. Svaki razmak u digitalnoj riječi predstavlja vrijednost 2 na potenciju lokacije. Dakle, prvi razmak je 2 na potenciju 0, što je 1. Drugi razmak je 2 na potenciju 1, što je 2, sljedeći razmak je 2 na potenciju 2 što je 4, i tako dalje.

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

Da kodiramo vrijednost pomoću ovog formata, jednostavno dodijelimo 1 ili 0 svakom rezerviranom mjestu tako da vrijednosti zbroja koje predstavljaju rezervirana mjesta s 1 predstavljaju izvornu vrijednost.

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

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

U našem gornjem primjeru koristimo vrlo nisku rezoluciju od 3 bita, što znači da možemo prikazati samo osam različitih razina. Ova ograničena razlučivost, naravno, uvodi određenu pogrešku – poznatu kao pogreška kvantizacije. Matematika se vrlo brzo može zakomplicirati. Dovoljno je reći da u našem primjeru naš teoretski digitalizator ne zna razliku između napona od 0,63 i 0,73 volta. Ovo je velika pogreška i ne bi uspjelo u pokušaju uzorkovanja zvuka. Srećom, naša 16-bitna rezolucija daje nam 65 536 razina za odabir.

Što je s onim ludim grafikonima stepenica?

Nedvojbeno ste vidjeli marketinške slike koje pokazuju usporedbu audio rezolucije CD kvalitete u odnosu na 96 kHz, 24-bitni zvuk visoke rezolucije.

Iako je koncept veće stope uzorkovanja i veće razlučivosti točan, to ne znači da audio signal CD-kvalitete na bilo koji način trpi.

Kako bismo to demonstrirali, stvorili smo dva ispitna tona od 20 kHz u Adobe Auditionu. Prva staza ima brzinu uzorkovanja od 96 kHz i razlučivost od 24 bita.

Kao što vidite, valni oblik izgleda glatko i detaljno i prikazuje otprilike pet uzoraka po ciklusu.

Drugi zapis je isti sinusni val od 20 kHz pohranjen na frekvenciji uzorkovanja od 44,1 kHz i razlučivosti od 16 bita.

Kao što vidite, nema značajne razlike u obliku dva valna oblika. Što je još važnije, oba izgledaju kao sinusni valovi i nijedan nema koračanje u sebi.

Razumijevanje digitalnog zvuka

Pohranjivanje audio signala u digitalnoj domeni nudi različite prednosti pakiranja i pouzdanosti u odnosu na analogne medije za pohranu poput vinilnih ploča i magnetskih vrpci. Naravno, digitalne datoteke ne degradiraju tijekom vremena. Digitalne datoteke također su otporne na probleme s brzinom reprodukcije. Ako vaš gramofon ili kasetofon svira presporo, glazba neće zvučati ispravno.

U budućem članku pogledat ćemo dostupne opcije formata datoteke za pohranu digitalnih audio datoteka. Until then, be sure to drop by your local specialist mobile enhancement retailer to see all the latest digital media-compatible source unit upgrades available for your car, truck or SUV.