Цифровой звук, история развития

Цифровой звук

Некоторые считают, что цифровая эра началась с изобретением компакт-диска, однако это был уже один из последних шагов цифрового звука. В действительности все началось : в начале ХХ века, когда были открыты законы, без знания которых цифровая звукозапись в принципе была бы невозможна.

Началом цифровой эпохи можно считать 1933 год, когда русским ученым В. А. Котельниковым была опубликована работа «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи», в которой излагалась знаменитая сейчас на весь мир теорема. Теорема отвечала на очень важный вопроскак без потерь перевести сигнал в цифровой вид. Это открытие не было случайностью, наука закономерно шла к нему. Дело в том, что теорема была открыта и доказана практически одновременно сразу несколькими учеными во всем мире (помимо Котельникова, это были Найквист, Шеннон и Уиттакер). Однако первенство принадлежит именно нашему соотечественнику.
Вскоре после открытия теоремы началось ее практическое использование. Суть метода заключалась в том, что аналоговый звук переводился в цифровую форму посредством проведения выборки состояний сигнала 8000 раз в секунду (то есть с частотой дискретизации 8 кГц) и преобразования результатов в числовой код. Таким образом, осуществлялась передача звукового сигнала с диапазоном до 4 кГц. Несмотря на то, что метод импульсно-кодовой модуляции опирался на безупречную с научной точки зрения теорему, он был подвергнут тщательной проверке. Результаты, как и следовало ожидать, были превосходными: телефонный сигнал сохранял высочайшее качество после цифровой передачи. О безоговорочном признании новой технологии говорит и тот факт, что импульсно-кодовая модуляция применялась для кодирования переговоров Уинстона Черчилля и Франклина Рузвельта во время Второй мировой войны. Однако был и один большой минус: для кодирования сигнала требовалась огромная по тем временам вычислительная мощность.

Запись на магнитные носители

Практически с самого начала внедрения цифровых технологий для передачи звука, сигнал стали пытаться зафиксировать на носителях, причем именно в цифровом виде. Так как для этого не требовалось особой чистоты записи (записывать нужно было дискретные состояния сигнала),технология магнитной записи подошла как нельзя лучше.

Запись цифрового звукаОдно из первых упоминаний о магнитной записи приходится на 1898 год, когда инженер Вальдемар Паульсен получил патент на устройство записи звука на стальную проволоку. Однако в таком виде способ был далек от совершенства, и технология магнитной записи не использовалась в течение многих лет. Только в 1924-1925 годах, с появлением порошковых лент, магнитная запись с использованием микрофонов вытеснила примитивную механическую рупорную запись звука. По настоящему массовой в потребительской среде магнитная запись стала лишь к 1963 году, когда была выпущена компакт-кассета.
Стандарт пришелся по душе многим любителям музыки и успешно конкурировал с виниловым диском. Но, как и любой другой аналоговый формат, магнитная лента имела массу недостатков. Основные среди нихэто шумы при воспроизведении, ограниченный срок хранения записи и невозможность оперативного поиска нужного фрагмента на ленте. Если последний недостаток связан со спецификой записи на носитель, то первые два можно легко исправить, записав на магнитную ленту не аналоговый, а цифровой звук. Толчком к развитию цифровой записи стали следующие открытия.
В 1942 году Перри Крауфорд в своем труде «Автоматическое управление арифметическими операциями» впервые предложил использовать магнитный носитель для хранения цифровых данных. Мысль была быстро подхвачена, и в 1946 году Ассоциация инженерных исследований(ERA), используя детали трофейных немецких магнитофонов, создала первые магнитные барабаны и диски. Несколько позже, в 1951 году, в компьютере UNIVAC для записи данных впервые была применена магнитная лента. Это событие стало ключевым для цифровой звукозаписи, так как на ленту цифровой сигнал был записан впервые. В мае 1955 года
компания IBM выпустила первый коммерческий магнитный диск для хранения данных под названием RAMAC. Его емкость составляла 610 кбайт,а размещался он на 50 алюминиевых пластинах диаметром около 60 сантиметров каждая. Вес такой «дискетки» был около тонны, а использовалась она для сопряжения с компьютером IBM 305.
В 1962 году, профессор Томас Стокман впервые начал эксперименты по записи цифрового звука на магнитную ленту. Он использовал огромный компьютер TX-0 и аналогово-цифровой преобразователь собственного производства. Воодушевленный результатами, он принялся за проектировку первого цифрового 16-битного магнитофона, которая была закончена к 1976 году. Однако высокая стоимость разработанного оборудования послужила препятствием на пути распространения нового носителя.
Спустя каких-то два года началась эра бытовой цифровой записи: были представлены видеокассеты популярного формата
Betamax (предшественник VHS), использовавшиеся для записи 14-битного сигнала. Динамический диапазон фонограммы, за-
писанной в этом формате, составлял 80 дБ и был сравним с диапазоном аналоговой записи, при этом в нем отсутствовал собственный шум магнитной ленты. Позже, в целях создания носителя, сходного по качеству с компакт-диском, но дающего возможность записывать сигнал,компании Sony и Philips разработали формат Digital Audio Tape (DAT) и представили его в 1986 году. Система записи в магнитофоне велась поперечно-наклонно, при помощи вращающихся головок. Внешне первые экземпляры DAT-магнитофонов очень напоминали видеомагнитофон.Запись в них велась в 16 битах на частотах дискретизации 44 и 48 кГц, что обеспечивало достаточно высокое качество звука. При кодировании применялся двойной код Рида-Соломона (как и на аудио CD), что давало записям высокую помехозащищенность. К сожалению, из-за проблем с авторскими правами компании затянули выпуск бытовых версий магнитофона; DAT остался хоть и интересным, но достаточно дорогостоящим профессиональным цифровым форматом.
В 1991 году фирма Alesis выпустила магнитофон ADAT. Оригинальная система записи на кассеты Super-VHS позволила уместить на ленте одновременно 8 дорожек цифрового звука с качеством 16 бит/48 кГц (несколько лет спустя появились 20-битные версии). Кроме того, ADATимел возможность соединения магнитофонов для синхронной работы, что позволяло одновременно записывать до 128 каналов. Вслед за ADAT,в 1993 году, компания Tascam разработала 8-канальный цифровой магнитофон DA-88, использующий в качестве носителя видеокассету формата Hi-8. Стоит заметить, что цифровая запись на магнитную ленту достаточно удобна и практична. Возможно, это происходит потому, что у ленточной цифровой записи на данный момент есть только один серьезный конкуренткомпьютер.

Оптические носители

Изобретение лазера в 1958 году сыграло очень важную роль в истории цифрового звука. В дальнейшем именно лазерные разработки позволили действительно донести цифровые технологии до широких масс, так как аппаратура для воспроизведения
цифровой магнитной ленты была не по карману большинству потребителей. Интенсивная работа в области лазеров привела к появлению в 1972 году оптического видеодиска, детища компании Philips, который вопреки ожиданиям не получил большого распространения. Вслед за ним появился диск большей емкости Selectavision, разработанный компанией RCA. Но и данный формат не мог похвастаться массовостью, хоть и стоил на порядок дешевле популярного тогда Betamax.

Оптические носителиВ 1980 году компании Philips и Sony представили общественности компакт-диск. С появлением CD сразу стала понятна причина малой популярности предшествующих оптических дисковэто был их огромный размер. Напротив, компакт-диск имел 120 мм в диаметре и легко помещался в кармане. При начальной себестоимости в $1 компакт-диски начали продаваться по $15, обеспечивая огромную выгоду для компаний, занимающихся тиражированием аудиоматериала.
Уже в 1982 году вышел первый компакт диск с музыкальной записью, а через два года компания Sony представила первый
портативный CD-плеер. В 1985 году новый формат был приспособлен для использования с компьютером и назван CD-Rom (Readonly memory — «память только для чтения»); он имел небывалую по тем временам емкость700 Мбайт. Невозможность записи была самым большим недостатком CD-ROM, и спустя 5 лет компания Sony представила стандарт CD-R (CD-Recordable).
В 1995 компании Toshiba и Sony представили новый формат, пришедший на замену CDэто был DVD (Digital Versatile Disc). При считывании информации с DVD использовался лазерный луч с более точной фокусировкой, что позволило уплотнить запись.
Через три года разработчики расширили функциональность DVDбыл представлен новый формат аудио DVD, который, в отличие от компакт-диска, поддерживает частоты дискретизации до 176 кГц и разрядность до 24 бит, что способно удовлетворить запросы самого привередливого аудиофила.
Еще один носитель, о котором нельзя не рассказатьэто мини-диск. Продажи его начались в 1992 году. Изначально стандарт позиционировался как бытовая и концертная система записи; в нем применялся магнито-оптический диск диаметром 64 мм, помещенный в пластмассовый футляр размером 70x67,5x5 мм. На диск можно было записать 74 минуты звуковой информации. При записи использовался формат 16-разрядных отсчетов на частоте 44,1 кГц, сжатый по проприетарной технологии ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Codingакустическое кодирование с адаптивным преобразованием). Эта технология базируется на стереофоническом представлении звука с 16-разрядным квантованием и частотой дискретизации 44,1 кГц. При сжатии каждый кадр делится на 52 частотные полосы, обеспечивающие результирующую скорость потока в 292 кбит/с. Именно из-за кодирования сигнала с потерями многие студии избегают использовать данный формат в профессиональной работе.

Новейшая история цифрового звука

К концу 80-х годов цифровая звукозапись была уже достаточно широко распространена в студиях. В это же время популярность персональных компьютеров стремительно росла, что создало предпосылки к разработке аудио-интерфейса. Годом рождения компьютерной звукозаписи можно считать 1989 год, именно тогда компания Digidesign выпустила систему Sound Tools программно-аппаратный комплекс, позволяющий записывать и монтировать звуковые файлы с разрядностью 16 бит и частотой 44,1 кГц на компьютерах Apple. Спустя несколько лет, в 1992 году, была выпущена система Pro Tool, позволявшая записывать уже четыре канала одновременно и успешно конкурировавшая с новым форматом ADAT. Помимо многоканальности, система Pro Tools отличалась поддержкой мыши, что оказалось очень удобным при нелинейном монтаже звука.

Звукозаписывающая студия Компания IBM была очень обеспокоена тем, что новая ниша на рынке была полностью оккупирована компанией Apple. Ответный удар не заставил долго ждать: на рынок была выпущена звуковая плата Sound Blaster для IBM PC стоимостью около $400. На ней был установлен простенький синтезатор, но самое главноеимелся MIDI-интерфейс. Уловив тенденции развития, производители музыкального ПО стали портировать свои программы под PC. Вслед за Sound Blaster была выпущена звуковая плата Turtle Beach Multisound с чипом от профессионального звукового модуля Proteus: подключив к ней MIDI-клавиатуру, пользователь получал неплохой синтезатор. Также эта карта поддерживала 4-канальную запись и при цене в $900 заметно выигрывала даже у кассетных портативных студий.
Позже, уже в середине 90-х годов, появилась технология многоканальной записи на жесткий диск, столь популярная сейчас.
Суть технологии заключается в том, что, имея лишь один стерео вход и один стерео выход, методом наложения можно записать неограниченное количество дорожек. Как и прежде, первая программа для подобной работы была написана под Apple Mac  (Deck II). Спустя год, в 1996-м, тоже для Mас была выпущена программа Cubase VST. По сути, она представляла собой настоящую студию с поддержкой интерфейса MIDI и VST-плагинов, РС-версия появилась чуть позже.
В конце 90-х годов границы между профессиональной и любительской техникой стали заметно размываться. В настоящее время за весьма умеренную сумму любой желающий может приобрести компьютер, который с легкостью позволит управлять многофункциональной виртуальной студией, причем при умелом подходе результат работы будет практически неотличим от дорогой студийной фонограммы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *