Grabación digital

Audio o vídeo representado como un flujo de números discretos

Visualización de los niveles de audio en una grabadora de audio digital ( Zoom H4n )

En la grabación digital , una señal de audio o video se convierte en un flujo de números discretos que representan los cambios en la presión del aire en el caso del audio, o los valores de croma y luminancia en el caso del video. Este flujo de números se guarda en un dispositivo de almacenamiento. Para reproducir una grabación digital, los números se recuperan y se convierten nuevamente a sus formatos de audio o video analógicos originales para que se puedan escuchar o ver.

En un par de convertidores analógico-digitales (ADC) y digital-analógicos (DAC) correctamente emparejados , la señal analógica se reconstruye con precisión, dentro de las limitaciones del teorema de muestreo de Nyquist-Shannon , que dicta la frecuencia de muestreo y el error de cuantificación en función de la profundidad de bits de audio o video . Debido a que la señal se almacena digitalmente, suponiendo que se detecten y corrijan los errores correctamente , la grabación no se degrada por copia, almacenamiento o interferencia.

Cronología

• 3 de octubre de 1938: El ingeniero telefónico británico Alec Harley Reeves presenta en la Oficina de Patentes francesa la primera patente que describe la técnica conocida hoy como modulación por impulsos codificados (PCM). El 22 de noviembre de 1939, Reeves también presenta la patente en los EE. UU. ^{[1] [2]} Se propuso por primera vez como una tecnología de telefonía . ^[3]
• 1943: Bell Telephone Laboratories desarrolla el primer sistema de transmisión de voz codificada digital basado en PCM, SIGSALY , ^[4] en respuesta a la interceptación alemana del tráfico telefónico militar durante la Segunda Guerra Mundial . Los doce puntos de transmisión se retiraron después de la guerra.
• Junio ​​de 1950: C. Chapin Cutler desarrolla la modulación diferencial por código de pulsos (DPCM) en Bell Labs. ^[5]
• 1957: Max Mathews de Bell Labs grabó la primera música generada por computadora, una pieza de 17 segundos llamada "The Silver Scale" compuesta por su compañero de trabajo Newman Guttman. ^[6]
• 1967: El primer codificador PCM comercial ( monoaural ) fue desarrollado por las instalaciones de investigación de NHK en Japón. ^[3] El dispositivo de 30 kHz y 12 bits utilizaba un compresor-expansor (similar a DBX Noise Reduction ) para ampliar el rango dinámico y almacenaba las señales en una grabadora de cintas de vídeo .
• 1969: NHK amplía las capacidades del codificador PCM a estéreo de dos canales y resolución de 13 bits a 32 kHz. ^[3]
• 1969: El dispositivo de carga acoplada , el primer sensor de imagen utilizado en imágenes digitales, inventado por Willard S. Boyle y George E. Smith en Bell Labs, ^[7] basado en la tecnología de condensadores MOS . ^[8]
• 1970: James Russell patenta el primer sistema de grabación y reproducción de formato digital a óptico, ^[9] que más tarde daría lugar al disco compacto .
• Enero de 1971: Utilizando el sistema de grabación PCM experimental de NHK, el Dr. Takeaki Anazawa, ingeniero de Denon , graba las primeras grabaciones digitales comerciales del mundo , The World Of Stomu Yamash'ta 1 & 2 de Stomu Yamash'ta (11 de enero de 1971) ^[3] y Something de Steve Marcus y Jiro Inagaki (25 de enero de 1971). Ambos tuvieron que ser grabados en vivo, sin ediciones. Marcus se lanza primero (en LP, en febrero de 1972), lo que lo convierte en la primera grabación digital lanzada . El 27 de enero, Yamash'ta graba Metempsicosis en el estudio Nippon Columbia, Tokio, con percusión y una sección de metales.
• 1972: Denon , aprovechando las lecciones aprendidas con el codificador NHK, presenta el DN-023R, un codificador PCM de 8 canales del tamaño de un escritorio, que utiliza una resolución PCM de 47,25 kHz y 13 bits y una grabadora de cinta de vídeo de transmisión de carrete abierto de 4 cabezales . ^[3] La primera grabación con este nuevo sistema es la del Cuarteto Smetana interpretando los Cuartetos de cuerda K.458 y K.421 de Mozart , grabado en Tokio del 24 al 26 de abril y publicado en octubre de ese mismo año. En octubre se publican al menos otros seis discos LP digitales grabados por Denon , que incluyen jazz, música clásica y música tradicional japonesa. ^{[10] [3] [11]}
• 1973: Modulación de código de pulso diferencial adaptativo (ADPCM) desarrollada por P. Cummiskey, Nikil Jayant y James L. Flanagan en Bell Labs. ^[12]
• 2 y 3 de diciembre de 1974: La Orquesta de Cámara Paillard graba la primera grabación digital fuera de Japón , en la Catedral de Notre Dame de París , utilizando el nuevo compacto de segunda generación DN-023RA de Denon. " La ofrenda musical " de Bach (BWV 1079) se publica en LP en mayo de 1975. ^[3]
• 12 al 19 de diciembre de 1974: Helmuth Rilling graba tres obras para órgano de Bach en la Gedächtniskirche de Stuttgart , Alemania, utilizando el DN-023RA. ^[13] Entre 1974 y 1977, Denon realiza más de 250 grabaciones en PCM, la mayoría grabadas en Japón.
• Mayo de 1975: El profesor de la Universidad de Utah Thomas Stockham desarrolla un grabador de audio digital PCM de diseño propio, utilizando unidades de cinta de ordenador como sistema de almacenamiento. Funda la empresa Soundstream para ofrecerlo comercialmente. ^[14] Entre 1977 y 1980 se fabricaron un total de dieciocho unidades de 16 bits y 50 kHz de 4 canales, de las que siete se vendieron a unos 150.000 dólares estadounidenses (equivalentes a 849.351 dólares en 2023) cada una. Se realizaron más de 200 grabaciones con su equipo, casi tantas como las PCM de Denon. ^{[14] [15]}
• 1976: El prototipo de grabadora Soundstream de 37,5 kHz, 16 bits y 2 canales ^[3] se utiliza para grabar la interpretación de la ópera de Virgil Thomson The Mother of Us All por parte de la Ópera de Santa Fe para New World Records , lo que la convierte en la primera grabación digital de EE. UU . Sin embargo, la grabadora digital es solo una copia de seguridad de la grabadora multipista analógica principal , y la grabación analógica se considera superior y, por lo tanto, se utiliza para el lanzamiento del LP. La cinta digital de respaldo se presentó en la Convención AES de octubre de 1976 en Nueva York, pero nunca se lanzó comercialmente.
• Enero de 1977: Denon desarrolla un sistema de grabación PCM totalmente portátil y más pequeño, el DN-034R. Al igual que el DN-023R y el DN-023RA, graba 8 canales a 47,25 kHz en una grabadora de cinta de vídeo (VTR) de 2 pulgadas que funciona a 38,1 cm/s, pero utiliza 14 bits "con énfasis, lo que lo hace equivalente a 15,5 bits", lo que produce una relación señal-ruido de 89 dB . También permite la sobregrabación por primera vez con el uso de una segunda VTR, algo crucial para la grabación profesional. ^[3]
• Septiembre de 1977: Sony presenta la unidad de audio PCM-1 (precio de venta al público de 4400 dólares, equivalente a 6985 dólares en 2019) ^[16] (44,056 kHz, 14 bits), el primer codificador PCM de consumo. Requería el uso de una grabadora de cintas de vídeo doméstica para el almacenamiento. ^[17]
• 4 al 7 de noviembre de 1977: 3M demuestra un prototipo de grabadora digital de 16 bits, 50,4 kHz y 2 canales que funciona con cinta de 1 pulgada en45 ips en la Convención AES de Nueva York . ^[3] Como no había convertidores de 16 bits reales disponibles, combinó convertidores separados de 12 y 8 bits para crear un rendimiento de 16 bits. ^[18]
• 28 de noviembre de 1977: Denon lleva su DN-034R a los Sound Ideas Studios de la ciudad de Nueva York y graba On Green Dolphin Street de Archie Shepp , lo que lo convierte en el primer álbum comercial grabado digitalmente lanzado en Estados Unidos . ^[3] Los dos días siguientes, del 29 al 30 de noviembre, Frank Foster graba Manhattan Fever , que se lanza en abril de 1978. ^[3] Se graban otros cinco álbumes de jazz con el DN-034R en Nueva York antes de que regrese a Japón en diciembre. ^{[19] [ verificación fallida ]}
• Febrero de 1978: se graba el primer lanzamiento comercial de Soundstream, Diahann Carroll With the Duke Ellington Orchestra Under The Direction Of Mercer Ellington – A Tribute To Ethel Waters ^{. [20]}
• Marzo de 1978: Sony presenta el PCM-1600 de calidad profesional a un precio de lista de 40.000 dólares estadounidenses (equivalente a 186.857 dólares en 2023) ^[21] utilizado con una unidad de cinta U-matic externa , lo que hace que la grabación digital esté disponible comercialmente para los estudios de grabación por primera vez. Le siguen el PCM-1610 y el PCM-1630. ^{[22] [23] [24]}
• 4 y 5 de abril de 1978: Telarc utiliza el sistema PCM de Soundstream para grabar a Frederick Fennell y su Eastman Wind Ensemble tocando Suites para banda militar de Gustav Holst y Music for the Royal Fireworks de George Frideric Handel . Cuando se lanzó en LP, se convirtió en el primer lanzamiento clásico digital grabado en EE. UU . ^[25]
• 2 de junio de 1978: los estudios Sound 80 en Minneapolis graban a la Orquesta de Cámara de Saint Paul interpretando Appalachian Spring de Aaron Copland . Esta sesión está configurada como una grabación directa a disco , con el prototipo de grabadora digital 3M de 50,4 kHz funcionando en segundo plano. Hay cierto desacuerdo, ^{[3] [26]} pero parece que el disco LP resultante (Sound80 Records S80-DLR-101) se tomó de las cintas de respaldo digitales en lugar del acetato directo al disco. ^[27] En 1984, la sesión se reeditó en Compact Disc por ProArte. Esta grabación fue nominada a tres premios Grammy , ganando " Mejor interpretación de música de cámara " (1980), ^{[18] [28]} convirtiéndose en la primera grabación digital en ganar un Grammy .
• Principios de junio de 1978: Sound 80 graba el álbum debut homónimo de Flim y los BB como otra grabación directa a disco, nuevamente con la grabadora experimental 3M de fondo. Nuevamente, el acetato se considera no tan bueno como la copia de seguridad digital, por lo que se utiliza el máster digital para el disco LP (Sound80 Records S80-DLR-102). Esto lo convierte en el primer lanzamiento digital no clásico en EE. UU . En un plazo de 6 meses, la grabadora digital 3M hecha a mano ("muy voluminosa y delicada") se desmonta, lo que hace que la cinta maestra no estándar no se pueda reproducir. Por lo tanto, no es posible el lanzamiento en CD . El lanzamiento en CD de la Orquesta de Cámara de Saint Paul, que utilizó la misma máquina, no tiene explicación.
• 8 de marzo de 1979: Philips muestra el primer prototipo de reproductor de CD en Eindhoven , Países Bajos . ^{[29] [30] [31]} Los CD prototipo reproducidos en la unidad fueron una edición de Le quattro stagioni de Antonio Vivaldi interpretada por Vittorio Negri y la Kammerorchester Berlin (Philips 9500 100, grabado en analógico en 1976), y el Cuarteto de cuerdas n.º 31 de Joseph Haydn (?). ^[31] Se muestra un tercer disco prototipo, en Archiv Produktion , pero los detalles no son legibles. El texto indica que podría ser la Sinfonía inacabada de Franz Schubert . La grabación de Eine Alpensinfonie de Richard Strauss por parte de Herbert von Karajan y la Filarmónica de Berlín también se menciona como candidata a la primera edición de prueba de un CD, ^{[ cita requerida ]} pero no se grabó hasta el 1-3 de diciembre de 1980. ^[32]
• 11 de julio de 1979: Warner Bros. Records lanzó el primer LP de música popular grabado digitalmente en Estados Unidos (con voces) , Bop Till You Drop del guitarrista Ry Cooder . El álbum se grabó en Los Ángeles en una máquina digital de 32 pistas construida por la corporación 3M . ^{[33] [18]}
• 27 de agosto de 1979: se lanza E=MC² de Giorgio Moroder , el primer LP electrónico en vivo convertido a digital grabado en Soundstream PCM.
• 4 de septiembre de 1979: comienza la composición de la banda sonora de Star Trek The Motion Picture, grabada en formato analógico multipista y masterizada en cinta estéreo digital para su lanzamiento en LP coincidiendo con el debut cinematográfico el 6 de diciembre de 1979. ^[34]
• 12 de octubre de 1979: Tusk de Fleetwood Mac se publica en formato LP. Este disco, y Live , del 8 de diciembre de 1980, se masterizaron en el Soundstream PCM a partir de pistas múltiples analógicas. ^[14]
• 30 de octubre de 1979: Stevie Wonder lanza su álbum de banda sonora , Journey Through "The Secret Life of Plants", grabado en cintas de video U-matic usando un adaptador digital Sony PCM-1600 y ensamblado en forma de álbum con un controlador de edición digital. ^[35]
• 1 de diciembre de 1979: Se lanza el álbum homónimo de Christopher Cross, ganador del premio Grammy. El álbum de Cross se convierte en el primer álbum grabado digitalmente en aparecer en las listas (grabado en el sistema 3M) en los Estados Unidos, y finalmente gana 5 premios Grammy. La grabación digital se ha convertido en algo común.
• 1980: Se establece el estándar Libro Rojo (44,1 kHz, 16 bits) ^{[36] para} el audio digital en discos compactos .
• 1980: Mitsubishi Electric presenta la cinta de carrete abierto X-80 ProDigi de 1/4"Grabadora digital de 16 bits y 15  ips a 50,4 kHz (5000 dólares, equivalentes a 18 489 dólares en 2023). Solo se venden 200 en todo el mundo. ^[37]
• 1980: Soundstream se fusiona con Digital Recording Corporation y se convierte en DRC/Soundstream para desarrollar y comercializar la grabación PCM de 50 kHz en una tarjeta óptica. Esta tecnología se ve eclipsada posteriormente por el auge del CD de 44,1 kHz y la empresa cierra después de 1983. ^[14]
• 1981: Sony lanza el procesador de audio digital PCM-F1 (1900 dólares equivalentes a 6368 dólares en 2023) (44,056 kHz, 16 bits) y el VCR Betamax SL-2000 correspondiente (700 dólares equivalentes a 2346 dólares en 2023) como un sistema de grabación digital doméstico portátil, completo y asequible (con baterías opcionales) ^[38]
• 1981: Technics lanza la grabadora de audio digital SV-P100, adecuada tanto para grabación profesional (masterización digital) como para uso doméstico. Utilizaba grabación PCM de 14 bits en una cinta de casete de formato VHS, lo que daba como resultado un programa de hasta 3 horas de grabación estéreo de 2 canales.
• 1982: Sony lanza el adaptador PCM PCM-501ES (44,1 kHz, 16 bits) (precio de lista de $895) que se utiliza con una grabadora de video externa VHS o Betamax . ^{[ cita requerida ]}
• 17 de agosto de 1982: La grabación analógica de Claudio Arrau de marzo de 1979 de los valses de Frederic Chopin (Philips 400 025) se convierte en el primer CD clásico jamás fabricado comercialmente . ^{[39] [40]} Está fabricado por la planta de Philips en Langenhagen , Región de Hannover, Alemania . El propio Arrau fue invitado a presionar el botón para comenzar la fabricación. Este CD en realidad no se lanzó hasta 1983, por lo que presumiblemente tuvo problemas de fabricación como el lanzamiento de ABBA (abajo).
• 17 de agosto de 1982: El primer CD popular jamás fabricado , el álbum de ABBA de 1981 The Visitors (seleccionado porque estaba "grabado en su mayor parte de forma digital") ^[41] se produce en la misma planta. Sin embargo, debido a problemas de producción, la tercera versión no llegó a las tiendas hasta marzo de 1983.
• 5 de septiembre de 1982: Peter Gabriel lanza su cuarto álbum de estudio (titulado Security en Norteamérica y Peter Gabriel IV en otros lugares). ^{[42] Cuando se lanzó en CD en octubre de 1984, se convirtió en el primer lanzamiento} DDD completamente digital . Fue grabado en el estudio digital Mobile One de Sony ^[43] y mezclado con un Sony PCM-1610. ^[44]
• 1 de octubre de 1982: Sony comercializa los primeros reproductores de discos compactos ^{(CDP-101, 900 dólares equivalentes a 2.842 dólares en 2023) y Philips (CD-100, 700 dólares equivalentes a 2.210 dólares en 2023). [45]}
• 1 de octubre de 1982: 52nd Street , grabado en formato analógico, de Billy Joel se convierte en el primer CD en llegar al mercado en Japón, superando a The Visitors de ABBA y Chopin Waltzes de Claudio Arrau. ^{[46] [47]} Se lanzan otros cuarenta y nueve CD en Japón el mismo día, incluidos Turn Back de Toto , Wish You Were Here de Pink Floyd y Off the Wall de Michael Jackson . ^[40]
• Octubre de 1982: New England Digital ofrece la opción de grabadora de disco duro Sample-to-Disk en el Synclavier , el primer sistema de grabación de disco duro comercial. ^[48]
• 26-28 de noviembre de 1982: Flim & the BB's graban su segundo álbum de estudio, Tricycle . Lanzado a principios de 1983, se convierte en el primer CD totalmente digital no clásico que se lanza . (Más tarde se le asigna el código SPARS DD).
• 2 de marzo de 1983: Se introducen en Estados Unidos los reproductores de CD y 16 CD de CBS Records . ^[49]
• Septiembre de 1984: Born in the USA de Bruce Springsteen se convierte en el primer CD fabricado en Estados Unidos que se lanza. ^[50]
• 12 de noviembre de 1984: Se lanza el segundo álbum de estudio de la cantante estadounidense Madonna , Like a Virgin . Se convirtió en el primer álbum grabado digitalmente que encabezó la lista Billboard 200 .
• 13 de mayo de 1985: se publica el quinto álbum de estudio de la banda de rock inglesa Dire Straits, Brothers in Arms . Se convirtió en el álbum grabado digitalmente más vendido de los años 80 y el primer álbum cuyas ventas en CD superaron a las de los LP.
• 1987: Sony desarrolla la cinta de audio digital .
• 1989: Comienzan en el Reino Unido las transmisiones de prueba de audio digital estéreo NICAM para transmisión televisiva.
• 1990: Comienza la radio digital en Canadá , utilizando la banda L. ^[51]
• 1991: Alesis Digital Audio Tape ( ADAT ) es un formato de cinta utilizado para grabar simultáneamente ocho pistas de audio digital a la vez, en una cinta magnética Super VHS , un formato similar al que utilizan los VCR de consumo . El producto se anunció en enero de 1991 en el NAMM Show . Las primeras grabadoras ADAT se comercializaron más de un año después, en febrero o marzo de 1992. ^[52]
• 1993: Random Access Digital Audio Recorder ( RADAR ) es el primer dispositivo de una sola caja utilizado para grabar simultáneamente 24 pistas de audio digital en unidades de disco duro. El producto, fabricado por Creation Technologies , se anunció en octubre de 1993 en la convención AES en Nueva York. Las primeras grabadoras RADAR se comercializaron en agosto de 1994.
• 1996: Comienzan a venderse en Japón discos ópticos y reproductores de DVD .
• 1999: " Livin' la Vida Loca " de Ricky Martin se convierte en el primer sencillo número uno grabado, editado y mezclado completamente en una estación de trabajo de audio digital . Producido por Charles Dye y Desmond Child con Pro Tools . ^[53]

Proceso

Grabación

1. La señal analógica se transmite desde el dispositivo de entrada a un convertidor analógico a digital (ADC).
2. El ADC convierte esta señal midiendo repetidamente el nivel momentáneo de la onda analógica (audio) y luego asignando un número binario con una cantidad determinada de bits (longitud de palabra) a cada punto de medición. Cuanto mayor sea la longitud de palabra, más precisa será la representación del nivel de la onda de audio original.
3. La frecuencia con la que el ADC mide el nivel de la onda analógica se denomina frecuencia de muestreo o tasa de muestreo. Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, mayor será la frecuencia de audio superior de la señal de audio digitalizada.
4. El ADC genera una secuencia de muestras de audio digital que conforman un flujo continuo de 0 y 1.
5. Estos números binarios se almacenan en medios de grabación como una cinta magnética , un disco duro , una unidad óptica o en una memoria de estado sólido .

Reproducción

1. La secuencia de números se transmite desde el almacenamiento a un convertidor digital a analógico (DAC)
2. El DAC convierte nuevamente los números en una señal analógica uniendo la información de nivel almacenada en cada muestra digital, reconstruyendo así la forma de onda analógica original.
3. Esta señal se amplifica y se transmite a los altavoces .

Grabación de bits

Técnicas para grabar en soportes comerciales

En el caso de los casetes digitales , el cabezal de la cinta se mueve al igual que la cinta, normalmente en una configuración de exploración helicoidal , para mantener una velocidad lo suficientemente alta como para mantener los bits en un tamaño manejable.

En el caso de las tecnologías de grabación de discos ópticos, como el CD-R , se utiliza un láser para alterar las propiedades ópticas de la capa de colorante del medio. Para leer estos patrones se utiliza un láser más débil.

Parámetros de rendimiento

Tamaño de la palabra

La cantidad de bits utilizados para representar una señal de audio afecta directamente el ruido o la distorsión resultante en una grabación. ^{[a] [54]}

Frecuencia de muestreo

Como se indica en el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon , para evitar el aliasing , la señal de audio debe muestrearse a una frecuencia al menos dos veces mayor que la del componente de frecuencia más alta de la señal. Para audio con calidad musical, las frecuencias de muestreo de 44,1 y 48 kHz son las más comunes.

La grabación master puede realizarse a una frecuencia de muestreo más alta (es decir, 88,2, 96, 176,4 o 192 kHz). Se han publicado grabaciones PCM de alta resolución en DVD-Audio (también conocido como DVD-A), DualDisc (que utiliza la capa DVD-Audio) o High Fidelity Pure Audio en Blu-ray. Además, es posible publicar una grabación de alta resolución como un archivo WAV sin comprimir o FLAC comprimido sin pérdida ^[55] (normalmente a 24 bits) sin convertirlo a una versión inferior . Sigue habiendo controversia sobre si las frecuencias de muestreo más altas proporcionan algún beneficio verificable al producto de consumo. ^[56]

Cuando se va a crear un CD (el estándar del Libro Rojo de CD es 44,1 kHz y 16 bits) a partir de una grabación de alta resolución, la grabación debe convertirse a 44,1 kHz. Esto se hace como parte del proceso de masterización .

A partir de la década de 1980, la música grabada, mezclada o masterizada digitalmente solía etiquetarse con el código SPARS para describir qué procesos eran analógicos y cuáles digitales. Dado que la grabación digital se ha vuelto casi omnipresente, ahora los códigos SPARS rara vez se utilizan.

Corrección de errores

Una de las ventajas de la grabación digital sobre la grabación analógica es su resistencia a los errores. Una vez que la señal está en formato digital, no está sujeta a pérdidas de generación por copia. En lugar de la degradación gradual que se experimenta con los medios analógicos, los medios digitales están sujetos a un efecto de acantilado .

Véase también

• Vigilancia telefónica

Notas

1. El tramado añadido intencionalmente en el proceso de grabación transforma la distorsión de cuantificación en ruido.

Referencias

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