AKUSTIKA

Pripremio: Vladimir Milojević

Prilog istoriji audio snimanja
74 minuta digitalnog zvuka

Tomas Stokham, osnivač kompanije Soundstream

Početkom šezdesetih godina 20. veka, naučnici su razmatrali načine kako da visokokvalitetno snimanje slike i zvuka učine dostupnim što širim krugovima, po pristupačnoj ceni. U to vreme je analogna profesionalna magnetofonska tehnika pružala mogućnost kvalitetnih tonskih zapisa (HI-FI je kao pojam bio prisutan već početkom pedesetih). Vernost snimljenog zvuka je, međutim, opadala prilikom obrade signala i kopiranja. Osnovni nedostaci analognih zapisa: pretežno šumovi kod trake a pucketanje kod gramofonske ploče, često su dolazili do izražaja prilikom slušanja u kućnim uslovima. Preneseni frekventni spektar je najčešće bio uži u odnosu na studijski snimak. Svaka sledeća reprodukcija trake ili ploče je unosila naoko neprimetnu ali prisutnu degradaciju kvaliteta snimka. Ploča se trošila (pojavljivali su se dodatni šumovi) a traka demagnetisala (opadao je nivo snimljenog signala). Ideja o digitalizaciji analognog signala (zvuka) kao načina da se izbegnu negativni uticaji i gubici prilikom njegovog prenosa, arhiviranja i obrade (linearna, nelinearna i fazna izobličenja) pojavila se pre Drugog svetskog rata. Koncept konverzije električnog signala u digitalni oblik predstavio je engleski naučnik Alek Rivs 1937. godine, kada je prvi put izneo teoriju impulsno kodne modulacije (PCM- Pulse Code Modulation).

PCM je postupak stvaranja niza digitalnih brojeva, koji su najčešće binarno kodirani (kombinacija nula i jedinica). Praktično, odabranom frekvencijom uzorkovanja (sampling frequency) se, u konstantnim vremenskim intervalima, uzimaju uzorci analognog signala koji se uvodi u digitalni sistem. Odmerena vrednost njegove jačine (amplitude) u odgovarajućem intervalu se “diskretizuje” (dodeljuje joj se odgovarajuća vrednost), a ona se potom pretvara u binarni broj pomoću A/D pretvarača (analogno-digitalnog konvertora). Nastali nizovi brojeva postaju povorke impulsa (nula i jedinica), što može da se snimi ili dalje prenosi digitalnim telekomunikacionim vezama. Na prijemnoj strani se obrnutim postupkom, pomoću D/A pretvarača (digitalno-analognog konvertora), vrši rekonstrukcija ulaznog analognog signala (tzv. “regeneracija”) pri čemu on ponovo poprima originalan oblik.

Prvi digitalni zvučni zapisi

Sonijev prvi PCM konvertor, 1977.

Digitalizacija je složen proces sa jasnim ograničenjima. Najvažnija su maksimalna učestanost signala koji prolazi kroz digitalni sistem i njegov dinamički opseg. Maksimalna učestanost je uvek nešto niža od polovine frekvencije uzorkovanja. Dinamički opseg određuje rezolucija digitalnog sistema, odnosno broj bita binarnog broja. Njegova veća vrednost znači i bolji odnos signal-šum. Za telefonski prenos se npr. koriste frekvencija uzorkovanja od 8 KHz i rezolucija od 8 bita, a kod HI-FI digitalnog zvuka su te vrednosti najčešće 44.1 KHz ili 48KHz i 16 bita. Prototipe A/D i D/A pretvarača kao ključnih elemenata u sistemu digitalizacije je 1953. godine napravio američki pronalazač Bernard Maršal Gordon. Inženjer Tomas Grinvej Stokham je na Univerzitetu u Juti 1962. godine snimio prvi digitalni zvučni zapis. Pri tome je koristio veliki TX-0 kompjuter, kao i A/D i D/A konvertore Gordonove konstrukcije. Međutim, taj snimak nije bio najboljeg kvaliteta.

Prvi dalji zadatak za rešavanje bio je izbor medija za arhiviranje digitalnog zapisa, dovoljno kvalitetnog i jeftinog. Drugi je bio velika količina podataka neophodna da zapis ima odgovarajući tonski opseg i dinamiku. Treći je bio problem korekcije digitalnih grešaka ili smetnji, čija bi pojava nanela digitalnom snimku daleko veće posledice nego slične pojave u analognom zvučnom sistemu. Četvrti je bilo jednostavno umnožavanje i multiplikacija.

Optika za navođenje

Omot prvog CD-a Abba

Prototip uspešnog digitalnog audio magnetofona konstruiše inž. Heitaro Nakajima, u japanskoj kompaniji NHK 1967. godine. Nakajima 1971. prelazi u Sony, gde se bavi razvojem digitalnih audio sistema. Godine 1974. Sony predstavlja svoj prvi digitalni magnetofon X-12 DTC. Razvojem digitalnog snimanja su se tih godina u Japanu bavila i kompanije Denon i JVC. Japanci su ostvarili značajne uspehe na usavršavanju PCM kodera i sistema za otklanjanje digitalnih grešaka. Prvi su koristili Betamax video rekordere za snimanje digitalnog zvuka uz dodavanje spoljnih PCM procesorskih jedinica. Septembra 1978. godine je jednim ovakvim uređajem tajno snimljena proba koncerta čuvenog dirigenta Herberta fon Karajana, koji je, kada mu je snimak kasnije reprodukovan, bio impresioniram njegovom vernošću.

U Americi, Tomas Stokham osniva kompaniju Soundstream i 1975. godine realizuje svoj 16-bitni PCM rekorder. Njime je sledeće godine, u operi u Santa Feu, napravio prvi digitalni audio snimak koji je doživeo komercijalizaciju. Do 1980. godine Stokham je posedovao preko 200 različitih digitalnih mastera, i prvi je vršio obradu snimljenog zvuka (editovanje) pomoću kompjuterskog sistema, softvera i hard-diska.

Ideju da se podaci upisuju na optički disk, a zatim isčitavaju metodom refleksije, dao je Dejvid Pol Greg 1958. godine. Ideja je razmatrana tokom 60-tih, kada se tragalo za odgovarajućim materijalima od kojih bi diskovi bili napravljeni. Takođe je analiziran metod upisivanja i isčitavanja podataka. Godine 1977. u SAD, kompanija MCA “lansira” analogni video sistem Laserdisc. Njegovu praktičnu realizaciju omogućio je razvoj laser-dioda, odgovarajućih pick-up-ova za pisanje i čitanje i preciznih mehanizama i optike za njihovo “navođenje”. Na optički disk prečnika 30cm je sa obe strane (bio je moguć dvostrani upis kao kod gramofonske ploče) moglo da stane do 30 minuta za ono vreme veoma kvalitne slike. Laserdisc je donekle bio prihvaćeni u Japanu (Pioneer), a u Evropi ga je proizvodila kompanija Philips. Sistem je, iako superioran u odnosu na VHS i Betamax, zbog cene, nemogućnosti snimanja u kućnim uslovima i nedostataka karekterističnih za analogne zapise (pre svega osetljivost na ogrebotine), već ranih 80-tih godina napušten.

Laserdisc je inženjerima kompanije Philips omogućio da steknu značajna iskustva sa optičkim medijima. Javila se ideja da se princip analognog Laserdisca, zbog velikog kapaciteta i jednostavnog umnožavanja, iskoristi za digitalno audio arhiviranje. Slično su razmišljali i u Sony-ju. Obe kompanije rade na razvoju optičkog digitalnog audio zapisa. Početkom 1979, Sony izbacuje na tržište prvi PCM uređaj koji je reprodukovao dva i po sata visokokvalitetnog audio zapisa sa diska sličnom Laserdiscu. U Philipsu su smatrali da je disk od 30cm preveliki i da je neophodno napraviti manji format.

Tokom 1979. godine Filips i Sony udružuju snage i započinju intenzivnu saradnju. Sledeće godine objavljuju tzv. “Crvenu knjigu” koja definiše standarde budućeg audio kompakt diska. Svaka kompanija je dala svoj doprinos na osnovu dotadašnjih iskustava. Philips je usavršio proces proizvodnje same “ploče” i pronašao najprikladniju digitalnu modulaciju (EFM- Eight to Fourteen Modulation). EFM je omogućio trajnost medija i otpornost na površinska oštećenja. Sony-jev doprinos je bila je CIRC (Cross Interleaved Reed Solomon Coding) metoda korekcija grešaka. Prvi komercijalni CD plejer je zvanično predstavljen 1. oktobra 1982.

Po dužini simfonije

CD je napravljen od polikarbonske plastike debljine 1,2mm. Tanak sloj super čistog aluminijuma je nanešen na gornju površinu da bi bila reflektivna. Površina je zaštićena tankim slojem fotoosetljivog laka na koji se laserom upisuju podaci, od centra diska ka periferiji. Upis se vrši konstantnom ugaonom brzinom. Na mestima gde je laser delovao nastaju mikro udubljenja, a tamo gde nije ostaju ravne površine.

Kod kompakt-disk plejera, laser čitača (koji je najčešće 780nm) je usmeren i fokusiran kroz dno polikarbonskog sloja. Izmene ravnih površina (land) i udubljenja (pit) utiču na faznu razliku njegove odbijene svetlost koja se preko složenog sistema sočiva usmerava u fotodiodu čitača. Registrovane promene intenziteta se pretvaraju u električni signal (kombinaciju nula i jedinica), a zatim u kontrolersko-konvertorskoj jedinici dekodiraju kako bi se regenerisao originalan oblik audio-signala. Inače, na svakom CD-u se, pored korisnih uskladištenih podataka, nalaze i informacije koje služe za sinhronizaciju i pomažu pri korekciji grešaka.

Godine 1985. Philips i Sony objavljuju “Žutu knjigu”, gde su prvi put definisani protokoli za korišćenje CD-a kao medija za skladištenje podataka. Tu se prvi put pominje CD-ROM (Read Only Memory). 1990. se pojavljuju prvi CD-R mediji (za snimanje u kućnim uslovima) i rezači. Ostalo je istorija…

Zanimljiv je podatak da je dužina reprodukcije standardnog kompakt diska od 74 minuta odabrano na osnovu trajanja Betovenove Devete simfonije, odnosno najduže verzije njenog izvođenja iz 1951. godine, jer je želja tadašnjeg potpredsednika Sony-ja Norijega Oge bila da istu može da odsluša bez prekida zbog menjanja nosaša zvuka. Interesantan je podatak i da je veličina otvora u sredini diska (14mm) odabrana po veličini tada najmanjeg holandskog novčića od 10 centi, što je bila želja Philipsa.

Vladimir Milojević