44 100 Гц

В цифровом аудио частота 44 100 Гц (или 44,1 кГц ) является обычной частотой дискретизации . Аналоговый звук часто записывается путем его выборки 44 100 раз в секунду, а затем эти выборки используются для восстановления аудиосигнала при его воспроизведении.

Частота дискретизации звука 44,1 кГц широко используется благодаря формату компакт-дисков (CD), который использовался Sony еще в 1979 году.

История

Ранний цифровой звук был записан на U-matic . видеокассеты

Частота дискретизации 44,1 кГц возникла в конце 1970-х годов благодаря адаптерам PCM , которые записывали цифровой звук на видеокассеты . ^{[примечание 1]} в частности, Sony PCM-1600, представленная в 1979 году и реализованная в последующих моделях этой серии. Затем это стало основой для компакт-дисков Digital Audio (CD-DA), определенных в стандарте Красной книги в 1980 году. ^[1]^{: сек. 2.6} Его использование продолжилось в качестве опции в таких стандартах 1990-х годов, как DVD , а в 2000-х — в таких стандартах, как HDMI . Эта частота дискретизации обычно используется для MP3 и других потребительских форматов аудиофайлов , которые изначально были созданы из материала, скопированного с компакт-дисков.

Источник

Выбор частоты дискретизации основывался, прежде всего, на необходимости воспроизвести слышимый диапазон частот 20–20 000 Гц (20 кГц). Теорема выборки Найквиста -Шеннона гласит, что необходима частота дискретизации, более чем в два раза превышающая максимальную частоту записываемого сигнала, в результате чего требуемая частота превышает 40 кГц. Точная частота дискретизации 44,1 кГц была унаследована от адаптеров PCM, которые были наиболее доступным способом передачи данных из студии звукозаписи производителю компакт-дисков на момент разработки спецификации компакт-диска. ^[1]^{: сек. 2.6}

Ставка была выбрана после дебатов между производителями, в частности Sony и Philips , и ее внедрения Sony, что привело к фактическому стандарту. Фактический выбор скорости стал предметом некоторых споров, среди других альтернатив, включая 44,1/1,001 ≈ 44,056 кГц (что соответствует скорости цветового поля NTSC 60/1,001 = 59,94 Гц) или примерно 44 кГц, предложенные Philips. В конечном итоге Sony одержала верх как по частоте дискретизации (44,1 кГц), так и по разрядности (16 бит на выборку, а не 14 бит на выборку). Техническое обоснование выбора скорости связано с характеристиками человеческого слуха и ранними системами цифровой аудиозаписи, как описано ниже. ^[1]^{: сек. 8,5}

Человеческий слух и обработка сигналов

Теорема выборки Найквиста -Шеннона гласит, что частота дискретизации должна быть более чем в два раза больше максимальной частоты, которую требуется воспроизвести. Чтобы уловить диапазон человеческого слуха примерно от 20 Гц до 20 000 Гц, частота дискретизации должна была быть больше 40 кГц.

Но чтобы избежать наложения спектров при дискретизации, сигналы сначала должны быть ограничены полосой частот до половины частоты дискретизации, чего можно добиться с помощью низкочастотной фильтрации . Хотя идеальный фильтр нижних частот ( синк-фильтр ) может идеально пропускать частоты ниже 20 кГц (не ослабляя их) и идеально отсекать частоты выше 20 кГц, этот идеальный фильтр теоретически и практически невозможно реализовать, поскольку он некаузален , поэтому на практике , необходима переходная полоса в которой частоты частично ослабляются. Чем шире эта полоса перехода, тем проще и экономичнее сделать сглаживающий фильтр . Частота дискретизации 44,1 кГц позволяет использовать полосу перехода 2,05 кГц.

Запись на видеоаппаратуру

Ранний цифровой звук записывался на существующие аналоговые видеокассеты, поскольку видеомагнитофоны были единственными доступными транспортными средствами с достаточной емкостью для хранения значимой длины цифрового звука. ^{[примечание 2]} Чтобы обеспечить возможность повторного использования с минимальной модификацией видеооборудования, они работали с той же скоростью, что и видео, и использовали большую часть той же схемы. 44,1 кГц считалась самой высокой полезной частотой, совместимой с видео PAL и NTSC и требующей кодирования не более 3 выборок на видеостроку на аудиоканал.

Частота дискретизации формируется следующим образом: ^{[примечание 3]}

	Активные строки/поле	Поля/секунду	Образцы/линия	Результирующая частота дискретизации
PAL	294	50	3	294 × 50 × 3 = 44 100 Гц
Ч/Б NTSC	245	60	3	245 × 60 × 3 = 44 100 Гц
Цвет NTSC	245	≈59.94	3	245 × ≈59,94 × 3 = 44056 Гц

NTSC имеет 490 активных строк на кадр из 525 строк; PAL имеет 588 активных строк на кадр из 625 строк.

Сопутствующие тарифы

44 100 — это произведение квадратов первых четырёх простых чисел ( $2^{2}\cdot 3^{2}\cdot 5^{2}\cdot 7^{2}$ ) и, следовательно, имеет много полезных целочисленных множителей .

Используются различные сокращения и удвоения частоты 44,1 кГц: более низкие частоты 11,025 кГц и 22,05 кГц встречаются в файлах WAV и подходят для приложений с низкой пропускной способностью, а более высокие частоты 88,2 кГц и 176,4 кГц используются при мастеринге и в DVD. -Аудио – более высокие скорости полезны как по обычной причине обеспечения дополнительного разрешения (следовательно, менее чувствительного к искажениям, вносимым при редактировании), так и для облегчения фильтрации нижних частот, поскольку гораздо широкая полоса перехода (между слышимым человеком и 20 кГц и половина частоты дискретизации). Частоты 88,2 кГц и 176,4 кГц в основном используются, когда конечной целью является компакт-диск.

Другие тарифы

В раннем цифровом аудио также использовались несколько других частот дискретизации. Частота дискретизации 50 кГц, использовавшаяся Soundstream в 1970-х годах после прототипа с частотой 37 кГц. В начале 1980-х годов в радиовещании использовалась частота дискретизации 32 кГц (особенно в Великобритании и Японии), поскольку этого достаточно для стереопередач FM , полоса пропускания которых составляет 15 кГц. Некоторая часть цифрового звука была предоставлена для домашнего использования в двух несовместимых форматах EIAJ , соответствующих 525/59,94 (дискретизация 44 056 Гц) и 625/50 (дискретизация 44,1 кГц).

Формат Digital Audio Tape (DAT) был выпущен в 1987 году с частотой дискретизации 48 кГц. Эта частота дискретизации стала стандартной для профессионального аудио . ^[2] До недавнего времени преобразование частоты дискретизации между 44 100 Гц и 48 000 Гц было осложнено высоким соотношением между этими частотами, поскольку наименьший общий знаменатель 44 100 и 48 000 составляет 147:160, но с помощью современных технологий это преобразование выполняется быстро и эффективно. ^[3] Ранние потребительские машины DAT не поддерживали частоту 44,1 кГц, и эта разница затрудняла создание прямых цифровых копий компакт-дисков с частотой 44,1 кГц с использованием оборудования DAT с частотой 48 кГц. ^[4]

Статус

Из-за популярности компакт-дисков существует большое количество оборудования с частотой 44,1 кГц, а также большое количество аудио, записанных с частотой 44,1 кГц (или кратных ей). Однако в некоторых более поздних стандартах используется частота 48 кГц в дополнение к 44,1 кГц или вместо нее. ^[2] В видео сейчас стандартом является 48 кГц, но для звука, предназначенного для компакт-дисков, по-прежнему используется 44,1 кГц (и кратные).

Стандарт HDMI TV (2003 г.) допускает как 44,1 кГц, так и 48 кГц (и кратные им). Это обеспечивает совместимость с DVD-проигрывателями, воспроизводящими содержимое CD, VCD и SVCD . В стандартах DVD -Video и Blu-ray Disc используется только частота, кратная 48 кГц.

ПК Большинство звуковых карт содержат цифро-аналоговый преобразователь, способный работать на частоте 44,1 кГц или 48 кГц. Некоторые старые процессоры имеют выход только 44,1 кГц, а некоторые более дешевые новые процессоры имеют выход только 48 кГц, что требует от ПК выполнения цифрового преобразования частоты дискретизации для вывода других частот дискретизации. Точно так же карты имеют ограничения на частоту дискретизации, которую они поддерживают для записи.

См. также

Частоты кварцевого генератора

Примечания

^ В частности, U-matic. кассеты
^ Цифровая аудиозапись с использованием видеомагнитофона в качестве носителя, и этот формат получил название псевдовидео . ^[1]
^ На практике разные машины использовали разные стандарты видео — например, Sony PCM-1610 использовала только монохромное видео 525/60 (NTSC, США), а не 625/50 (PAL, Европа) или цветное NTSC.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Уоткинсон, Джон (1989). Искусство цифрового звука (пересмотренное переиздание). Оксфорд: Focal Press. ISBN 978-0-08-049936-9 . OCLC 171287847 .
^ Jump up to: ^а ^б AES5-2008 (r2013): Рекомендуемая практика AES для профессионального цифрового звука. Предпочтительные частоты дискретизации для приложений, использующих импульсно-кодовую модуляцию (пересмотр AES5-2003) , Общество аудиоинженеров.
^ Ларри Джордан. «Понимание преобразования частоты дискретизации аудио» . Проверено 14 мая 2018 г.
^ Хеннинг Шульцринн. «Объяснение частоты дискретизации компакт-диска 44,1 кГц» . Проверено 23 октября 2022 г.

Искусство цифрового аудио, Джон Уоткинсон, 2-е издание
- Уоткинсон, раздел 1.14: «Адаптер PCM», стр. 22–24.
- Уоткинсон, раздел 4.5: «Выбор частоты дискретизации», стр. 207–209.
- Уоткинсон, раздел 9.2: «Адаптеры PCM», стр. 499–502.
Энди Макфадден; и др. «2-35] Почему 44,1 кГц? Почему не 48 кГц?» . Часто задаваемые вопросы о записываемых компакт-дисках .
Хеннинг Шульцринн . «Объяснение частоты дискретизации компакт-диска 44,1 кГц» . Проверено 6 февраля 2013 г.

[1] В частности, U-matic. кассеты

[3] Цифровая аудиозапись с использованием видеомагнитофона в качестве носителя, и этот формат получил название псевдовидео . ^[1]

[4] На практике разные машины использовали разные стандарты видео — например, Sony PCM-1610 использовала только монохромное видео 525/60 (NTSC, США), а не 625/50 (PAL, Европа) или цветное NTSC.

[Watkinson-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Уоткинсон, Джон (1989). Искусство цифрового звука (пересмотренное переиздание). Оксфорд: Focal Press. ISBN 978-0-08-049936-9 . OCLC 171287847 .

[AES5-2008-5] Jump up to: ^а ^б AES5-2008 (r2013): Рекомендуемая практика AES для профессионального цифрового звука. Предпочтительные частоты дискретизации для приложений, использующих импульсно-кодовую модуляцию (пересмотр AES5-2003) , Общество аудиоинженеров.

[6] Ларри Джордан. «Понимание преобразования частоты дискретизации аудио» . Проверено 14 мая 2018 г.

[7] Хеннинг Шульцринн. «Объяснение частоты дискретизации компакт-диска 44,1 кГц» . Проверено 23 октября 2022 г.

[примечание 1]

[1]

[примечание 2]

[примечание 3]

[2]

[3]

[4]