CDが1980年代初頭に最初に導入されたとき、CDの人生の唯一の目的は、音楽をデジタル形式で保持することでした。CDがどのように機能するかを理解するには、最初にデジタル録音と再生がどのように機能するか、およびアナログ技術とデジタル技術の違いを理解する必要があります。
この記事では、2つの手法の違いを完全に理解できるように、アナログ録音とデジタル録音について説明します。
- はじめに：錫のエッチング
- アナログ波
- デジタルデータ
- CDストレージ容量
はじめに：錫のエッチング
トーマス・エジソンは、1877年にサウンドを録音および再生するための最初のデバイスを作成したことで有名です。彼のアプローチでは、非常に単純なメカニズムを使用してアナログ波を機械的に保存しました。エジソンのオリジナルの蓄音機では、ダイヤフラムが針を直接制御し、針がアナログ信号をティンフォイルシリンダーに引っかきました。
このコンテンツは、このデバイスと互換性がありません。
あなたはシリンダーを回転させながらエジソンの装置に話しかけ、針はあなたが言ったことを缶に「記録」しました。つまり、ダイヤフラムが振動すると、針も振動し、それらの振動がスズに衝撃を与えました。サウンドを再生するために、録音中に引っかいた溝の上を針が移動しました。再生中、缶に押し込まれた振動により針が振動し、ダイヤフラムが振動して音が鳴ります。
このシステムは、1887年にエミール・ベルリナーによって改良され、針と横隔膜を使用した純粋な機械装置でもある蓄音機を製造しました。蓄音機の主な改良点は、スパイラルグルーブを備えたフラットレコードの使用であり、レコードの大量生産が容易になりました。最新の蓄音機は同じように機能しますが、針によって読み取られた信号は、機械的なダイアフラムを直接振動させるのではなく、電子的に増幅されます。
アナログ波
エジソンの蓄音機の針がブリキのシリンダーに引っかき傷をつけているのは何ですか？それはあなたの声によって生み出される振動を表すアナログ波です。たとえば、「こんにちは」という言葉を言って作成されたアナログ波を示すグラフは次のとおりです。
この波形は、tinfoilではなく電子的に記録されましたが、原理は同じです。このグラフが示しているのは、基本的に、時間の経過に伴うマイクのダイアフラムの位置（Y軸）（X軸）です。振動は非常に速く、ダイヤフラムは毎秒1,000回の振動で振動しています。これは、エジソンのデバイスのティンフォイルに引っかかれた一種の波です。「こんにちは」という単語の波形はかなり複雑であることに注意してください。純音は、次の500ヘルツ波（500ヘルツ= 500振動/秒）のように、特定の周波数で振動する正弦波です。
アナログ波の保存と再生は非常に簡単であることがわかります。スズを引っ掻くことは確かに直接的で直接的なアプローチです。単純なアプローチの問題は、忠実度があまり良くないことです。たとえば、エジソンの蓄音機を使用すると、意図した信号に多くの引っかき傷のあるノイズが保存され、信号はいくつかの異なる方法で歪められます。また、蓄音機を繰り返し再生すると、最終的には摩耗します。針が溝を通過すると、わずかに変化します（最終的には消去されます）。
デジタルデータ
ではCD（および任意の他のデジタル記録技術）、目標は非常にされた記録を作成することである高忠実度（元の信号と再生信号との間に非常に高い類似性）と完璧な再生を（記録は、あなたがプレイ同じ毎回鳴り何度プレイしても）。
これらの2つの目標を達成するために、デジタル録音はアナログ波を数字のストリームに変換し、波の代わりに数字を記録します。変換は、アナログ-デジタルコンバーター（ADC）と呼ばれるデバイスによって行われます。音楽を再生するために、数値のストリームは、デジタル-アナログコンバーター（DAC）によってアナログ波に変換されます。DACで生成されたアナログ波は増幅されてスピーカーに送られ、音が生成されます。
DACによって生成されるアナログ波は、数値が破損していない限り、毎回同じになります。DACによって生成されるアナログ波も、アナログ-デジタルコンバーターが高速でサンプリングされ、正確な数値を生成した場合、元のアナログ波と非常によく似ています。
アナログからデジタルへの変換プロセスをよりよく理解すれば、CDの忠実度が非常に高い理由を理解できます。音波があり、ADCでサンプリングしたいとします。これが典型的な波です（ここでは、横軸の各目盛りが1000分の1秒を表すと仮定します）。
アナログ-デジタルコンバーターで波をサンプリングする場合、2つの変数を制御できます。
- サンプリングレート-毎秒取られどのように多くのサンプルをコントロール
- サンプリング精度-試料を採取する際のコントロールがどのように多くの異なる階調（量子化レベル）が可能です
次の図では、サンプリングレートが毎秒1,000で、精度が10であると仮定します。
緑の長方形はサンプルを表しています。1000分の1秒ごとに、ADCは波を調べ、0から9までの最も近い番号を選択します。選択された番号は図の下部に表示されます。これらの数字は、元の波のデジタル表現です。DACがこれらの数値から波を再作成すると、次の図に示す青い線が表示されます。
青い線が赤い線に元々見られた細部のかなりの部分を失ったことがわかります、そしてそれは再生された波の忠実度があまり良くないことを意味します。これはサンプリングエラーです。サンプリングレートと精度の両方を上げることで、サンプリングエラーを減らします。次の図では、レートと精度の両方が2倍向上しています（毎秒2,000サンプルのレートで20グラデーション）。
次の図では、レートと精度が再び2倍になっています（4,000サンプル/秒で40グラデーション）。
レートと精度が上がると、忠実度（元の波とDACの出力の類似性）が向上することがわかります。CDサウンドの場合、忠実度が重要な目標であるため、サンプリングレートは毎秒44,100サンプル、グラデーション数は65,536です。このレベルでは、DACの出力は元の波形と非常によく一致しているため、ほとんどの人間の耳にとってサウンドは本質的に「完璧」です。
CDストレージ容量
CDのサンプリングレートと精度についての1つのことは、CDが大量のデータを生成することです。CDには、ADCによって生成されたデジタル数値がバイトとして格納され、65,536のグラデーションを表すのに2バイトかかります。録音されているサウンドストリームは2つあります（ステレオシステムのスピーカーごとに1つ）。CDには最大74分の音楽を保存できるため、CDに保存する必要のあるデジタルデータの合計量は次のとおりです。
44,100サンプル/（チャネル*秒）* 2バイト/サンプル* 2チャネル* 74分* 60秒/分= 783,216,000バイト
それはたくさんのバイトです！ほとんどの人が通過CDを入れ乱用を生き残るために厳しい十分であるプラスチック製の安価な作品に多くのバイトは、あなたが最初のCDは1980年読むに出てきたことを考える場合は特に、決して小さな仕事ではありませんことを保存するためにどのようにCDの仕事を完全ため物語！
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