الصوت الرقمي

إذا كانت الإشارة الصوتية تناظرية، يبدأ نظام الصوت الرقمي بمحول تناظري رقمي (ADC) يحول الإشارة التناظرية إلى إشارة رقمية. ^{[ ب ]} يعمل محول ADC بمعدل أخذ عينات محدد ، ويحول بدقة بت معروفة. على سبيل المثال، يبلغ معدل أخذ عينات الصوت في الأقراص المدمجة 44.1 كيلوهرتز (44100 عينة في الثانية)، ودقة 16 بت لكل قناة ستيريو . يجب تمرير الإشارات التناظرية التي لم يتم تحديد نطاق ترددها مسبقًا عبر مرشح مضاد للتشويه قبل التحويل، وذلك لمنع تشوه التشويه الناتج عن الإشارات الصوتية ذات الترددات الأعلى من تردد نايكويست (نصف معدل أخذ العينات).  

يمكن تخزين إشارة الصوت الرقمية أو إرسالها. يُمكن تخزين الصوت الرقمي على قرص مضغوط، أو مشغل صوت رقمي ، أو قرص صلب ، أو ذاكرة فلاش USB ، أو أي جهاز تخزين بيانات رقمي آخر . يُمكن تعديل الإشارة الرقمية من خلال معالجة الإشارات الرقمية ، حيث يُمكن ترشيحها أو تطبيق مؤثرات عليها. يُمكن استخدام تحويل معدل العينة ، بما في ذلك رفع معدل العينة وخفضه ، لتغيير الإشارات التي تم ترميزها بمعدل عينة مختلف إلى معدل عينة مشترك قبل المعالجة. تُستخدم تقنيات ضغط بيانات الصوت، مثل MP3 ، و AAC، وOpus ، وOgg Vorbis ، و FLAC ، بشكل شائع لتقليل حجم الملف. يُمكن نقل الصوت الرقمي عبر واجهات صوت رقمية مثل AES3 أو MADI . كما يُمكن نقله عبر الشبكة باستخدام بروتوكولات مثل الصوت عبر الإيثرنت ، أو الصوت عبر بروتوكول الإنترنت ، أو غيرها من معايير وأنظمة بث الوسائط .

للاستماع، يجب تحويل الصوت الرقمي إلى إشارة تناظرية باستخدام محول رقمي تناظري (DAC). وفقًا لنظرية نايكويست-شانون لأخذ العينات ، ومع بعض القيود العملية والنظرية، يمكن إعادة بناء نسخة محدودة النطاق من الإشارة التناظرية الأصلية بدقة من الإشارة الرقمية.

أثناء عملية التحويل، يمكن تضمين علامة مائية رقمية في البيانات الصوتية لمنع القرصنة والاستخدام غير المصرح به. تتم عملية وضع العلامة المائية باستخدام طريقة الطيف المنتشر ذي التسلسل المباشر (DSSS). بعد ذلك، يتم تعديل المعلومات الصوتية بواسطة تسلسل ضوضاء زائفة (PN)، ثم يتم تشكيلها ضمن نطاق التردد وإعادتها إلى الإشارة الأصلية. تحدد قوة التضمين قوة العلامة المائية على البيانات الصوتية. ^{[ 4 ]}

اخترع العالم البريطاني أليك ريفز تقنية تعديل رمز النبضة (PCM) عام 1937. ^{[ 5 ]} وفي عام 1950، سجل سي. تشابين كاتلر من مختبرات بيل براءة اختراع لتقنية تعديل رمز النبضة التفاضلي (DPCM)، ^{[ 6 ]} وهي خوارزمية لضغط البيانات . وقدّم بي. كوميسكي، ونيكيل إس. جايانت ، وجيمس إل. فلانغان في مختبرات بيل تقنية تعديل رمز النبضة التفاضلي التكيفي (ADPCM) عام 1973. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

استُخدم الترميز الإدراكي لأول مرة لضغط ترميز الكلام ، باستخدام الترميز التنبؤي الخطي (LPC). ^{[ 9 ]} تعود المفاهيم الأولية للترميز التنبؤي الخطي إلى أعمال فوميتادا إيتاكورا ( جامعة ناغويا ) وشوزو سايتو ( شركة نيبون للتلغراف والهاتف ) عام 1966. ^{[ 10 ]} خلال سبعينيات القرن العشرين، طوّر بيشنو س. أتال ومانفريد ر. شرودر في مختبرات بيل شكلاً من أشكال الترميز التنبؤي الخطي يُسمى الترميز التنبؤي التكيفي (APC)، وهو خوارزمية ترميز إدراكي تستغل خصائص الحجب في الأذن البشرية، وتلاها في أوائل ثمانينيات القرن العشرين خوارزمية التنبؤ الخطي المُثار بالترميز (CELP). ^{[ 9 ]}

شكّل ترميز تحويل جيب التمام المنفصل (DCT)، وهو أسلوب ضغط مع فقدان للبيانات اقترحه ناصر أحمد لأول مرة عام 1972، ^{[ 11 ] [ 12 ]} الأساس لترميز تحويل جيب التمام المنفصل المُعدَّل (MDCT)، الذي طوّره كلٌّ من جيه بي برينسن، وإيه دبليو جونسون، وإيه بي برادلي عام 1987. ^{[ 13 ]} ويُعدّ MDCT أساسًا لمعظم معايير ترميز الصوت ، مثل دولبي ديجيتال (AC-3)، ^{[ 14 ]} وMP3 ( MPEG Layer III)، ^{[ 15 ] [ 9 ]} وAAC، وويندوز ميديا ​​أوديو (WMA)، وأوبوس، وفوربيس ( Ogg ). ^{[ 14 ]}

استُخدمت تقنية تعديل الطور (PCM) في تطبيقات الاتصالات السلكية واللاسلكية قبل استخدامها لأول مرة في البث والتسجيل التجاريين بفترة طويلة. وقد كانت شركة NHK وشركة Nippon Columbia وعلامتهما التجارية Denon رائدة في مجال التسجيل الرقمي التجاري في اليابان خلال ستينيات القرن الماضي. وصدرت أولى التسجيلات الرقمية التجارية في عام 1971. ^{[ 16 ]}

بدأت هيئة الإذاعة البريطانية (BBC) أيضاً تجاربها مع الصوت الرقمي في الستينيات. وبحلول أوائل السبعينيات، طورت مسجلاً ثنائي القنوات، وفي عام 1972 قامت بنشر نظام نقل صوتي رقمي يربط مركز البث الخاص بها بأجهزة الإرسال البعيدة. ^{[ 16 ]}

أُجري أول تسجيل صوتي بتقنية PCM ذات 16 بت في الولايات المتحدة على يد توماس ستوكهام في دار أوبرا سانتا فيه عام 1976، باستخدام مسجل ساوندستريم . واستُخدمت نسخة مُحسّنة من نظام ساوندستريم لإنتاج العديد من التسجيلات الكلاسيكية بواسطة شركة تيلارك عام 1978. وكان مسجل 3M الرقمي متعدد المسارات، الذي كان قيد التطوير آنذاك، يعتمد على تقنية هيئة الإذاعة البريطانية (BBC). وكان أول ألبوم رقمي بالكامل يُسجل على هذا الجهاز هو ألبوم "بوب تيل يو دروب " لراي كودر عام 1979. وبدأت شركة التسجيلات البريطانية ديكا بتطوير مسجلات صوتية رقمية ثنائية المسار خاصة بها عام 1978، وأصدرت أول تسجيل رقمي أوروبي عام 1979. ^{[ 16 ]}

ساهمت مسجلات الصوت الرقمية الاحترافية متعددة المسارات، التي أنتجتها شركتا سوني/ستودر ( DASH ) وميتسوبيشي ( ProDigi ) في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، في ترسيخ قبول التسجيل الرقمي لدى شركات التسجيل الكبرى. احتوت هذه الأجهزة على آلية نقل مدمجة، تستخدم شريطًا بكرات بعرض 1/4 أو 1/2 أو 1 بوصة، حيث يتم تسجيل البيانات الصوتية على الشريط باستخدام رأس تسجيل ثابت متعدد المسارات. كما أتاحت محولات PCM تسجيل الصوت الرقمي الاستريو على مسجلات الفيديو التقليدية بنظامي NTSC أو PAL .

ساهم طرح الأقراص المدمجة (CD) من قبل شركتي فيليبس وسوني عام 1982 في انتشار الصوت الرقمي بين المستهلكين. ^{[ 16 ]}

أصبح نظام ADAT متاحًا في أوائل التسعينيات، مما سمح بتسجيل ثمانية مسارات بتردد 44.1 أو 48  كيلو هرتز على أشرطة S-VHS، وقام نظام DTRS بوظيفة مماثلة مع أشرطة Hi8.

كانت تنسيقات مثل ProDigi و DASH تُعرف باسم تنسيقات SDAT (شريط الصوت الرقمي ذو الرأس الثابت)، على عكس تنسيقات مثل أنظمة PCM القائمة على المحول وشريط الصوت الرقمي (DAT)، والتي كانت تُعرف باسم تنسيقات RDAT (شريط الصوت الرقمي ذو الرأس الدوار)، وذلك بسبب عملية المسح الحلزوني للتسجيل.

على غرار شريط DAT، استوعبت أجهزة ProDigi وDASH  معدل أخذ العينات الإلزامي البالغ 44.1 كيلوهرتز، بالإضافة إلى 48  كيلوهرتز في جميع الأجهزة، وفي النهاية 96  كيلوهرتز. وقد تغلبت هذه الأجهزة على المشكلات التي جعلت أجهزة التسجيل التناظرية التقليدية عاجزة عن تلبية متطلبات عرض النطاق الترددي للتسجيل الرقمي، وذلك من خلال الجمع بين سرعات الشريط العالية، وفجوات الرأس الأضيق المستخدمة مع أشرطة ذات تركيبة معدنية، وتوزيع البيانات على مسارات متوازية متعددة.

على عكس الأنظمة التناظرية، تتيح محطات العمل الصوتية الرقمية الحديثة وواجهات الصوت إمكانية تشغيل عدد كبير من القنوات بمعدلات أخذ عينات مختلفة، بقدر ما يستطيع الحاسوب تشغيله بكفاءة في وقت واحد. وقد أصدرت شركتا Avid Audio و Steinberg أول برامج محطات العمل الصوتية الرقمية في عام 1989. ^{[ 17 ]} تُسهّل محطات العمل الصوتية الرقمية عملية التسجيل والمزج متعدد المسارات للمشاريع الكبيرة، والتي كانت ستكون صعبة باستخدام المعدات التناظرية.

لقد ساهم التطور السريع والانتشار الواسع لتقنية الاتصالات الهاتفية الرقمية بتقنية PCM في تطوير تقنية دوائر المكثفات المحولة لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة (MOS ) في أوائل سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 18 ]} وقد أدى ذلك إلى تطوير رقائق ترميز وتصفية PCM في أواخر سبعينيات القرن العشرين. ^{[ 18 ] [ 19 ]} ومنذ ذلك الحين، أصبحت رقاقة ترميز وتصفية PCM بتقنية CMOS (MOS التكميلية) ذات البوابة السيليكونية ، التي طورها ديفيد أ. هودجز و دبليو سي بلاك في عام 1980، ^{[ 18 ]} المعيار الصناعي للاتصالات الهاتفية الرقمية. ^{[ 18 ] [ 19 ]} بحلول تسعينيات القرن العشرين، تم رقمنة شبكات الاتصالات مثل شبكة الهاتف العامة المحولة (PSTN) إلى حد كبير باستخدام مرشحات ترميز PCM بتقنية VLSI ( التكامل واسع النطاق للغاية)، والتي تستخدم على نطاق واسع في أنظمة التحويل الإلكترونية لمقاسم الهاتف ، وأجهزة مودم المستخدم النهائي ، ومجموعة من تطبيقات الإرسال الرقمي مثل شبكة الخدمات الرقمية المتكاملة (ISDN)، والهواتف اللاسلكية، والهواتف المحمولة . ^{[ 19 ]}