Digitální záznam zvuku Zpracoval: Ing. Jiří Sehnal
Digitální záznam zvuku Na všech záznamových nosičích zvuku se více či méně výrazně projevuje zub času. Gramofonové desky se opotřebovaly a nabraly hodně škrábanců, magnetofonová páska, náchylná k přetržení, se často přetrhla a zvuk na ní po slepení pásky už nevykazuje původní kvalitu a totéž platí i když zmíněné nosiče nepoužíváme. Zvuk na nich se časem znehodnocuje. Pro zachování zaznamenaného zvuku je nutné provést digitalizaci analogového signálu nebo provést přímý digitální záznam zvuku. Výhody digitálního záznamu zvuku. - Digitální média budou použitelná za mnoho let - zvuk v digitální podobě budoucnosti má jistotu - Zvuk na digitálních nosičích zůstane stále stejný po mnoho let a častým přehráváním se nebude zhoršovat kvalita záznamu se časem nezkazí - Zvukové nahrávky lze rozšířit bez ztráty na kvalitě záznam lze snadno kopírovat - Zvuk lze zpracovat na počítačích, které dnes představují obrovské možnosti v úpravě zvuku i obrazu digitální záznam lze snadno upravovat - Velké množství zvukových záznamů lze uchovat na několika CD nebo na paměťové kartě zvuk na digitálních nosičích je skladnější - Zvukový záznam lze přehrát na CD přehrávačích, DVD přehrávačích, přenosných přehrávačích, počítačích, MP3 přehrávačích, mobilních telefonech, záznamy lze posílat pře internet digitální formáty mají širokou podporu Princi digitálního záznamu zvuku Jakýkoliv zvuk, který chceme zaznamenat musíme převést z analogového do digitálního tvaru, tedy do binární posloupnosti jedniček a nul. Tento proces se nazývá digitalizace. Proces digitalizace zvuku Zvukový signál je v analogové podobě spojitá křivka
Abychom zvuk mohli převést na digitální data je nutné analogovou (spojitou ) křivku kvantizovat. Tento proces zabezpečuje AD převodník. Ten v pravidelných intervalech zjišťuje okamžitou hodnotu amplitudy signálu přivedeného na jeho vstup. Hodnota amplitudy se vyjadřuje v určitém rozsahu bitové rozlišení. Kvalitu digitálního vzorku určují dva parametry: 1. Vzorkovací frekvence f v udává počet vzorků za jednu sekundu (zvukový vzorek o vzorkovací frekvenci 44,1 khz znamená, že vzorkovací algoritmus odebral při digitalizaci 44 100 vzorků za jednu sekundu). Čím vyšší vzorkovací kmitočet použijeme, tím více bude zvuk odpovídat realitě. Podle Shannon Kotelníkova teorému platí: f v = 2f max kde f max je nejvyšší frekvence snímaného signálu. 2. Bitová hloubka určuje, jaké množství informací se použije k definici jednoho vzorku. Je určena počtem bitů. Čím větší bitová hloubka, tím lepši je dynamika zvuku (při 8-bitovém kódování převodník rozliší 256 napěťových úrovní hlasitosti a při 16-bitovém kódování 66535 napěťových úrovní).
Princip digitálního záznamu a reprodukce zvuku Na kompaktní disk se zaznamenává digitálně upravený elektrický signál z mikrofonu. Sled číslic, který byl z analogového elektrického signálu vyroben vzorkováním signálu, se na kompaktní disk zaznamenává formou prohlubní a plošek mezi nimi. Disk o průměru 12 cm obsahuje nejméně 3 miliardy prohlubní na spirálové stopě v plastickém materiálu. Prohlubně ve spirálové stopě se nazývají landy a plošky mezi prohlubněmi se nazývají pity. Land je 120 nm hluboký a 500 nm široký. Délka landu je 870 3180 nm. Rozptyl šířek landů je dán výrobní technologií. Délka landů je různá podle dat, která jsou na disku uložena. Mezera mezi stopami má asi trojnásobnou délku ve srovnání se šířkou.
Landy a pity se čtou pomocí světla laseru, které se odráží od polopropustného zrcadla a prochází mezi dvěma čočkami tak, aby světlo bylo zaostřena na stopu s prohlubněmi. Vlnová délka světla laseru λ = 780 nm. Laserový svazek musí polykarbonátem projít až k pokovené vrstvě, která obsahuje informace zaznamenané na CD. Laser prosvěcuje kompaktní disk zespodu. Laserové světlo dopadá nejdříve na plastový základ disku(polykarbonát) a potom na kovovou vrstvu, která obsahuje zaznamenaná data. Laserový svazek se od landů a pitů odráží téměř stejně. Při odražení se změní intenzita odraženého světla. Světlo odražené od pitů urazí ve srovnání se světlem odraženého od landů geometrickou dráhu kratší o polovinu délky (o čtvrtinu vlnové délky se geometrická dráha světla zkrátí při dopadu na pit a o tuto čtvrtinu vlnové délky bude geometrická dráha kratší při odrazu a z toho plyne, že geometrická dráha světla odrážejícího se od pitů bude o polovinu vlnové délky kratší, než geometrická dráha světla odraženého od landů). Vlnová délka (barva světla) laseru se při odrazu nemění. dopadající vlna
odražená vlna Protože světlo dopadá z prostředí, kde se může bez problému šířit na prostředí od kterého se pouze odráží ( pokovená vrstva), mění se fáze vlnění na fázi opačnou. Světlo odražené od pitu má opačnou fázi než světlo odražené od landu. Tato dvě světelná vlnění spolu interferují a výsledná intenzita je dána rozdílem intenzit obou vlnění. Protože na povrchu disku je asi 30 % pitů, neklesne intenzita odraženého světla na nulovou hodnotu. Pity a landy nepředstavují přímo logické jedničky a nuly. Informace je uložena na přechodech mezi pity a landy a v délce souvislých oblastí. Jeden bit logické jedničky je reprezentován přechodem mezi landem a pitem. V podstatě je to vlastně hrana mezi landem a pitem. Vzdálenost mezi hranami se nazývá průběžná délka (run lenth). výsek ze stopy na CD Kódování NRZI ( non return to zero inversed) Je to kódování, při kterém se osm bitů kóduje pomocí čtrnácti. To proto, aby se znemožnila existence dvou hran za sebou, tedy nemohou se opakovat dvě jedničky za sebou. Použitá vlnová délka čtecího laseru zabezpečuje nejmenší průběžnou vzdálenost tři bity. V kódové tabulce nejsou méně než dvě nuly za sebou. Protože může dojít ke stavu, kdy projdou dva čtrnáctibitové kódy za sebou z nichž jeden jedničkou končí a druhý jedničkou začíná, může dojít k tomu, že budou následovat dvě jedničky za sebou. Aby se tomuto stavu zabránilo, vkládají se mezi jednotlivá slova tři slučovací (mergin) bity. Jedno osmibitové slovo se tak zvětší na 17 bitů. Po průchodu odražené vlny válcovou čočkou dopadá světlo na čtyři světelná čidla, která po osvětlení vyšlou elektrický impuls. Ten je převeden na vlnový signál původní nahrávky(záznamu).
Při otáčení disku šroubový závit posunuje celý optický systém směrem od středu disku k jeho okraji. Některá důležitá data digitálního záznamu a reprodukce zvuku: - Poměr vlnové délky světla a výšky pitu: 1,3h = λ/4n - λ je vlnová délka světla laseru - n je index lomu polykarbonátu - h je výška pitu - šířka landu a pitu 600 μm - výška pitu 120nm - hloubka landu 120 nm - vlnová délka světla λ = 780 nm - tloušťka polykarbonátu 1,2 mm - průměr laserového svazku 800 μm