Hoe digitaal geluid wordt gereproduceerd

Heeft u zich ooit afgevraagd hoe geluid wordt weergegeven op digitale apparaten?

Hoe wordt een geluidssignaal gevormd uit een combinatie van enen en nullen? Ik weet zeker dat ik aan het denken was sinds ik begon te lezen! Maar vaak hebben zelfs professionals slechts een algemeen idee van de moderne geluidsroute. In dit artikel leert u hoe de verschillende formaten zijn verschenen, wat een digitaal-naar-analoog-omzetter is, welke soorten DAC’s er bestaan ​​en wat de kwaliteit van geluidsweergave bepaalt.

PCM
Zoals u weet, wordt in digitale audio bijna elk formaat, op zeldzame uitzonderingen na, opgenomen met behulp van een pulscodestroom of een PCM-stream – pulscodemodulatie. FLAC, MP3, WAV, audio-cd, dvd-audio en andere formaten zijn slechts manieren om de PCM-stream in te pakken, “te behouden”.

Hoe het allemaal begon
De theoretische grondslagen van digitale geluidsoverdracht werden ontwikkeld aan het begin van de 20e eeuw, toen wetenschappers probeerden een audiosignaal over een lange afstand te verzenden, maar niet per telefoon, maar op een nogal vreemde manier voor die tijd.

Door de geluidsgolf in kleine delen te verdelen, kan deze in een soort wiskundige weergave naar de ontvanger worden gestuurd. De ontvanger kan op zijn beurt de oorspronkelijke golfvorm herstellen en naar de opname luisteren. Bovendien stonden wetenschappers voor de taak om de bandbreedte van de “ether” te vergroten.

In 1933 werd de stelling van V.A. Kotelnikov. In westerse bronnen wordt het de stelling van Nyquist-Shannon genoemd. Ja, Harry Nyquist was de eerste die deze kwestie aan de orde stelde: in 1927 berekende hij de minimale bemonsteringsfrequentie voor het verzenden van een golfvorm, die later de “Nyquist-frequentie” werd genoemd, maar de stelling van Kotelnikov werd 16 jaar eerder gepubliceerd.

De essentie van de stelling is simpel: een continu signaal kan worden weergegeven als een interpolatieserie, bestaande uit discrete rapporten, waaruit het signaal kan worden gereconstrueerd. Om de oorspronkelijke toestand van het signaal ruwweg te herstellen, moet de bemonsteringsfrequentie ten minste tweemaal de bovenste afsnijfrequentie van dit signaal zijn.

Jarenlang was er geen vraag naar de stelling, tot de komst van het digitale tijdperk. Het was toen dat het een gebruik vond. In het bijzonder was de stelling nuttig bij de ontwikkeling van het CDDA-formaat (Compact Disc Digital Audio), bij gewone mensen wordt het Audio-CD of Red Book genoemd. Het formaat werd in 1980 uitgebracht door ingenieurs van Philips en Sony en is de standaard geworden voor audio-cd’s.

Formaatkenmerken:

bemonsteringsfrequentie – 44,1 kHz;
kwantiseringscapaciteit – 16 bits.

INFO
Bemonsteringssnelheid: het aantal monsters van het signaal dat tijdens het bemonsteren is “genomen”. Gemeten in Hertz.
Kwantiseringsbit: het aantal binaire cijfers dat de amplitude van het signaal aangeeft. Gemeten in bits.
De bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz werd berekend op basis van de stelling van Kotelnikov. Aangenomen wordt dat het gehoor van de gemiddelde persoon geen geluid kan oppikken dat verder gaat dan 19-22 kHz. De frequentie was waarschijnlijk 22 kHz en werd als bovengrens gekozen.

22.000 × 2 = 44.000 + 100 = 44.100 Hertz

Waar komt de 100 Hertz vandaan? Er is een versie dat dit een kleine marge is in geval van fouten of oversampling. Sony heeft deze frequentie zelfs gekozen vanwege de compatibiliteit met de PAL-transmissiestandaard.

De bitdiepte van het CDDA-formaat is 16 bits of 65.536 samples, wat overeenkomt met een dynamisch bereik van ongeveer 96 dB. Zo’n groot aantal samples is niet toevallig gekozen. Ten eerste vanwege de sterke invloed van kwantiseringsruis en ten tweede om een ​​formeel dynamisch bereik te bieden dat superieur is aan dat van de belangrijkste concurrenten in die tijd: cassetteplaten en vinylplaten. Ik zal dit in meer detail bespreken in de sectie over digitaal naar analoog converters.

De ontwikkeling van PCM werd voortgezet volgens het principe van vermenigvuldiging met twee. Andere samplefrequenties verschenen: eerst werd de samplefrequentie van 48 kHz toegevoegd en vervolgens waren de frequenties die erop waren gebaseerd 96, 192 en 384 kHz. De 44,1 kHz-frequentie werd ook verdubbeld tot 88,2, 176,4 en 352,8 kHz. Bitbreedte verhoogd van 16 naar 24 en vervolgens naar 32 bits.

De volgende na CDDA in 1987 verscheen het DAT-formaat – Digital Audio Tape. De bemonsteringssnelheid was 48 kHz, de kwantiseringsbit veranderde niet. En hoewel het formaat faalde, sloeg de samplefrequentie van 48 kHz vast in opnamestudio’s, zoals ze zeggen, vanwege het gemak van digitale verwerking.

In 1999 werd het dvd-audioformaat uitgebracht, dat het mogelijk maakte om op een schijf zes stereosporen op te nemen met een bemonsteringsfrequentie van 96 kHz en een 24-bits bitdiepte, of twee stereosporen met een frequentie van 192 kHz, 24 stukjes.