Digitaalne heli: erinevus redaktsioonide vahel

'''Digitaalne heli''' saadakse pidevast [[audiosignaal]]ist selle [[analoog-digitaalmuundur |analoog-digitaalmuundamise]] teel. Enamasti kasutatakse selleks [[impulsskoodmodulatsioon]]i (PCM).

Reevesi ideed põhinesid, oli ta sellest teadlik või mitte, tublisti suhteliselt uuel matemaatika harul, milleks oli diskreetajastusega signaali töötlus, mille kõige olulisemaks väljundiks on diskreetimisteoreem. Diskreetimisteoreem püstitati esmaselt juba 1915. aastal ning väidab, et kui signaal ei sisalda kõrgemaid sagedusi kui "B" (ribalaius), siis on võimalik seda signaali täielikult kindlaks teha regulaarsete vahedega diskreetide abil, juhul, kui diskreetimissagedus on kõrgem kui 2 x× B. See tähendab, et kui on tarvis diskreetida helisignaali, mille kõrgeim sagedus on 20  kHz, siis on mis tahes sagedus üle 40  kHz selle jaoks piisav.

Siis, kui Reeves oma ideed patenteeris, ei olnud võimalik diskreete piisavalt kiiresti salvestada, et katta ära kogu inimeste kuuldavate sageduste vahemikku, milleks peetakse üldiselt 20  Hz - 20  kHz. See muutus aastal 1947, kui leiutati transistor. Kuigi esimesed transistorid olid liiga aeglased, siis veerand sajandit tehnoloogilist arengut viisid transistorid kiirusteni, millega olid võimalikud digitaalsed heliseadmed.

Esimene kaubanduslik digitaalne diktofon, Soundstream, ilmus 1975. aastal ja kasutas kahte seadet, et lindistada: PCM konverterit, mis diskreetis sisendsignaali ja seejärel muundas numbrid video tüüpi signaaliks ning videosalvesti piisava ribalaiusega (üle 1  MHz), mis oli vajalik nende andmete salvestamiseks.

[[Fail:4-bit-linear-PCM.svg|pisi|278x278px|Pilt 1. Helilaine (punane) esitatud digitaalselt (sinine).]]

Diskreetimissagedusi mõõdetakse hertsides (Hz), või tsüklites sekundis. See väärtus tähistab lainekuju esitamisel sekundis talletatud hetkväärtuste arvu. Kõrgemad diskreetimissagedused võimaldavad esitada kõrgemaid helisagedusi. Tingimusel, et diskreetimissagedus on enam kui kaks korda suurem kõrgeimast helisagedusest, on võimalik lainekuju digitaalsete diskreetide põhjal täpselt taastada.

Sagedusi, mis on alla poole diskreetimissageduse ei ole võimalik digitaalselt diskreetidena täpselt esitada. Sellised sagedused tuleb olemasolu korral enne heli digitaalseks teisendamist eemaldada. "Pool diskreetimissagedust" kujutab endast seega ülempiiri, mida nimetatakse Nyquisti sageduseks ja analoog lainekuju sagedus peab olema täielikult allpool seda piiri, et seda oleks võimalik korrektselt digitaalselt esitada. Analoogsignaalid, mille sagedused on selle piiriga võrdsed või kõrgemad, ei ole diskreetides esitatavad ning tekitavad moonutust, mida nimetatakse sakilisuseks.

Inimkõrv on tundlik helidele vahemikus umbes 20 – 20 000  Hz. Helid väljaspool neid piire ei ole kuuldavad. Seetõttu on diskreetimissagedus 40 000  Hz absoluutne miinimum, esitamaks kõiki inimesele kuuldavaid helisid. Kõrgemaid sagedusi kasutatakse tavaliselt Nyquisti sageduse ümber tekkiva sakilisuse filtreerimiseks. Seda nimetatakse ülediskreetimiseks.

Heli kandvad CD-plaadid kasutavad diskreetimissagedust 44 100  Hz. Inimkõne on arusaadav isegi siis, kui kõik sagedused üle 4000  Hz eemaldada. Telefonid edastavad ainult sagedusi vahemikus 200–4000  Hz. Seetõttu on levinud diskreetimissageduseks 8000  Hz, mida nimetatakse vahepeal kõnekvaliteediks. Tasub märkimist, et Nyquisti sagedusel on tarvis väga järsku filtreerimist, et signaale sellest piirist kõrgemal ei teisendataks tagasi kuuldavale sagedusele ja ei tekiks sakilisusest tulenevaid moonutusi.

Kõige tavalisemateks diskreetimissagedusteks hertsides on 8000, 16 000, 22 050, 44 100, 48 000, 96 000 ja 192 000. Diskreetimissagedustest räägitakse ka kilohertsides. Niisiis ühikutes kHz on levinumad sagedused 8  kHz, 16  kHz, 22,05  kHz, 44,1  kHz, 48  kHz, 96  kHz ja 192  kHz.

Kõige levinum diskreetimissagedus on 44100  Hz.

Dünaamilist diapasooni mõõdetakse detsibellides. Inimkõrv tajub helisid, mille [[dünaamiline diapasoon]] on vähemalt 90  dB, kuid kui vähegi võimalik, siis on hea mõte salvestada digitaalset heli dünaamilise diapasooniga, mis on palju suurem kui 90  dB, et oleks võimalik liiga vaikseid helisid võimendada. Tasub märkimist, et kuigi üldiselt on võimalik madalatel helitugevustel salvestatud signaale kogu olemasoleva dünaamilise diapasooni ära kasutamiseks võimendada, ei kasutata madalate signaalide salvestamisel ära kogu saadavat bitisügavust. Seda resolutsiooni kaotust ei ole võimalik lihtsalt digitaalse lainekuju normaliseerimisega tasa teha.

Levinud bitisügavused ja nende vastavad dünaamilised diapasoonid:

8-bitine täisarv: 48  dB

16-bitine täisarv: 96  dB

24-bitine täisarv: 145  dB

Tasub märkimist, et riistvara ja sisend-väljundmuundurite suutlikkuse tõttu on dünaamilisel diapasoonil praktilised piirangud. Nende tõttu on 16-bitise sügavuse korral on praktiline piir pigem 90  dB kandis. Mõned formaadid, nagu näiteks ADPCM, kasutavad kokkusurutud 4-bitiseid diskreete, imiteerimaks 16-bitist heli. Audio-CD plaadid ja enamik heliformaate kasutab 16-bitiseid täisarve. Kõrval oleval pildil (Pilt 3) vasakul pool on madala bitisügavusega formaat ja paremal on formaat rohkemate bittidega. Kui mõelda diskreetimissagedusest kui vahest vertikaalsete joonte vahel graafikul, siis bitisügavus on vahe horisontaalsete joonte vahel.

Helifailid on väga suured. Pakkimata helifaili suuruse määramiseks tuleb korrutada diskreetimissagedus (nt 44 100  Hz) bitisügavusega (nt 16 bitti), audiokanalite arvuga (stereo puhul 2) ja sekundite arvuga. Täielikult täis kirjutatud 74 minutiline stereo audio CD kasutab üle 6 miljardi biti. Jagades selle arvu kaheksaga, jõuame baitide arvuni. Audio CD plaat mahutab natuke alla 800 megabaidi (MB).