Устройства цифрового звука

Мы знаем, что для сохранения звукового сигнала можно использовать как механический (грампластинка), так и магнитный (магнитофонная пленка) способы. В процессе развития вычислительной техники оказалось, что гораздо удобнее преобразовать звуковые волны в комбинацию цифр и в таком виде хранить или передавать.

Во второй половине XX в. были разработаны цифровые методы записи. Они более совершенны, чем аналоговые, и позволяют создавать звуковые файлы с очень высоким качеством. Кроме того, с помощью компьютерной техники над оцифрованными (преобразованными из аналоговых в цифровые) звуками можно производить любые действия. Так, например, старую, некачественную запись можно подвергнуть цифровой обработке и удалить посторонние шумы. Цифровая обработка позволяет создавать из монофонической записи псевдостереоэффекты, но восстановить таким способом два исходных независимых стереоканала невозможно.

Цифровой звук

Оцифровку звука выполняют с помощью устройства, получившего название АЦП — аналого-цифровой преобразователь. Обычно он входит в состав звуковой карты компьютера. АЦП в определенные фиксированные моменты времени проводит измерение уровня интенсивности звука. Частота выполнения этих измерений влияет на качество полученного цифрового звука. Для качественной записи принято, что частота оцифровки звука должна как минимум в 2 раза превышать максимальную частоту, входящую в состав спектра сигнала. Несмотря на то, что редкий человек слышит звук частотой более 20 кГц, верхнюю границу взяли с некоторым запасом и приняли равной 22 кГц, следовательно, частота оцифровки должна быть не ниже 44 кГц. Именно с такой частотой преобразовывают звуковой сигнал для его записи на компакт-диски. В результате работы АЦП мы получаем информацию в двоичном коде, т.е. используя только две величины: единицу и ноль.

Звуковая плата компьютера

При воспроизведении цифрового звука происходит обратное преобразование из цифровой формы представления сигнала в аналоговую. Это делают с помощью ЦАП — цифроаналогового преобразователя. Упрощенно процесс реконструкции первоначального аналогового сигнала состоит в том, что по имеющимся соседним точкам рассчитывается некоторая гладкая функция, проходящая через заданные точки, которая и принимается в качестве формы аналогового сигнала.

Как высококачественная пластинка

В 80-х гг. XX в. в распоряжении любителей высококачественной звукозаписи появились аппараты, предназначенные для использования цифровых аудиокассет. В такой кассете, как и в обыкновенной компакт-кассете магнитофона, находилась магнитная лента. Однако запись на нее велась в цифровой форме. Аппарат для записи и воспроизведения цифровой музыки содержал быстро вращающуюся головку, похожую на головку видеомагнитофона. Она записывала звуковой сигнал в узких наклонных полосах по всей ширине ленты. Как отмечали специалисты тех лет, по качеству записи цифровая аудиокассета была сопоставима с высококачественной грампластинкой.

Основные носители музыки

Практически одновременно с цифровыми аудиокассетами появились и другие способы хранения цифровой информации. Так, например, компаниями «Филипс» и «Сони» в начале 80-х гг. прошлого столетия были разработаны компакт-диски (или, как их еще называют, CD-диски). Уже через несколько лет они стали основным носителями качественных музыкальных записей.

На компакт-диске информация записана вдоль спиральной дорожки в виде чередования углублений (питов) и ровных участков (лендов). Лазерный луч отражается от поверхности дорожки, а переходы между питами и лендами изменяют характер отражённого сигнала, который фиксирует фотодетектор. После декодирования цифровые данные звукового CD преобразуются ЦАП в аналоговый сигнал для воспроизведения.

Закодировать и сохранить

После того как специалисты научились превращать звуковые волны в цифры, встал естественный вопрос о методах их хранения. Кроме того, оказалось, что звуковой ряд содержит много избыточных сведений, сократив которые можно несколько уменьшить объем полученной информации. Для устранения избыточности звуковых (аудио) данных был разработан ряд методов — аудиокодеков, при помощи которых производится сжатие аудиоданных.

Цифровой звук можно хранить без сжатия (например, PCM в контейнере WAV), со сжатием без потерь (например, FLAC) или со сжатием с потерями (например, MP3, AAC и Opus). Это не три единственных «метода», а три общих подхода, внутри которых существует множество форматов и кодеков. Для многоканального звука применяются, в частности, семейства Dolby и DTS.

Большое сжатие звуковой информации без ущерба качеству

MP3 сыграл огромную роль в распространении цифровой музыки в конце 1990-х и 2000-х годах. Сегодня он по-прежнему поддерживается практически повсеместно, но уже не является единственным доминирующим форматом: потоковые сервисы и современные приложения широко используют AAC, Opus и другие кодеки, а для архивного хранения популярен FLAC.

Метод MP3 был разработан в 1992 г. специалистами немецкого института Фраунгофера под руководством профессора Карлхайнца Бранденбурга (1954). Первоначально такой способ кодирования аудиоинформации получил название «Moving Pictures Experts Group, Layer 3» (экспертная группа по движущимся изображениям, уровень 3), которое вначале сократили до «MPEG Layer 3», а затем сделали еще короче — MP3.

Главным преимуществом MP3 было то, что он обеспечивал более высокую степень сжатия звуковой информации без значительной потери качества. Так, например, только специалисты «на слух» могут отличить различия между исходным аудиопроизведением и уменьшенным с помощью MP3 почти в восемь раз (средняя четырехминутная песня сжималась в файл объемом около 4 Мбайт).

Универсальные MP3

Одним из наиболее распространенных устройств, предназначенных для проигрывания цифровой музыки, стали МРЗ-плееры. Они поспособствовали распространению цифровой музыки (в частности, интернет-музыки), так как позволили пользователю «оторваться» от компьютера и избавиться от необходимости всегда иметь при себе набор CD-дисков.

Считается, что первым в истории MP3-плеером стал МР Man, созданный южнокорейской компанией Eiger Labs в 1998 г. Такое устройство было оснащено памятью объемом всего 32 Мб. Вслед за ним появился плеер Rio 300, выпущенный американской фирмой Diamond Multimedia. Это устройство имело 64 Мб встроенной памяти и весьма привлекательный (по тем временам) дизайн. Работал плеер от одной батарейки типа АА, обеспечивающей до 12ч непрерывного звучания.

В наши дни МРЗ-плееры могут быть оснащены жестким диском или флеш-памятью. Последние получили большее распространение за счет высокой надежности, длительного срока работы от аккумуляторной батареи и малых размеров.