Historia rozwoju technologii analogowej w technologii cyfrowej

Jaka jest różnica między

technologią cyfrową i analogową?

Technologia analogowa obraca się wokół tworzenia kopii wzorców fal, a
następnie odtwarzając je jako wyjście. Cyfrowa technologia oparta jest
na fali i przy sygnały przekształcenia ich w formacie cyfrowym. Podczas
odtwarzania sygnału cyfrowego korzysta z zapisanych danych, repliki
fali.

Pierwszy prawdziwy elektryczny sygnał cyfrowy został użyty w liniach
telegraficznych, ale technologia nie weszła do głównego nurtu aż do
połowy XX wieku. Sygnały analogowe są od setek lat ale
najwcześniejsze formy były bardzo prymitywne i niemożliwe do
odtworzenia. Technologia analogowa miała swój początek w chwili
wynalezienia gramofonu i ruchu obrazu.

W roku 1925 nastąpiła zmiana technologii zapisu sygnału audio. Przy nagrywaniu
płyt gramofonowych zastosowano elektromechaniczny i elektroniczny system. W
studiach

nagraniowych

pojawiły

się

wzmacniacze

lampowe,

zaczęto

eksperymentować  z  nagraniami  stereofonicznymi.  Pierwsza  audycja  stereofoniczna
była  zaprezentowana  przez  BBC  już  w  1925  roku.  W  zasadzie  elektronika  lat  30.
pozwalała  na  precyzyjny  pomiar  i  przetworzenie  sygnału  akustycznego,  ale  nadal
problemem  były  materiały,  z  jakich  wykonane  były  płyty.  Koniecznością  stała  się
również  standaryzacja  parametrów  zapis.  Stosowane  do  odczytu  igły  stalowe
pozwalały co najwyżej na kilkukrotne odtworzenie jednej strony płyty, ale zalecano
zmianę  igły  po  każdym  przesłuchaniu.  Jednakże  jest  jedna  cecha  płyty  winylowej,
której nie można uzyskać w zapisie CD. Chodzi mianowicie o parametr przenoszenia
tranzjentów, czyli szybkich zmian w dynamice sygnału, który jednak zwykle nie jest
prezentowany przez wytwórców sprzętu cyfrowego. Gęstość cyfrowego próbkowania
w zapisie dźwięku na płycie CD nie jest w stanie przenieść tranzjentów z tak dużą
precyzją, jaką można uzyskać dla analogowego zapisu na płycie winylowej. Stąd np.
występujące  w  nagraniach  zespołów  jazzowych  tzw.  „przeszkadzajki”,  czyli
specyficzne  instrumenty  perkusyjne,  znacznie  lepiej  wypadają,  kiedy  odtwarzamy
nagania  z  analogowej  płyty  winylowej  niż  z  CD.  Trochę  lepiej  oddanie  tranzjentów
wygląda w przypadku płyt SACD, ale ich popularność jest bardzo niska.

W czasach, kiedy w studiach używano wyłącznie nacinarek matryc płyt gramofonowych
(patefonowych i cylindrów Edisona), nie było mowy o jakimkolwiek montażu nagrań.
Możliwość edytowania nagrań pojawiła się w końcu lat 40. XX wieku wraz z
udoskonaleniem i wprowadzeniem do studiów magnetofonów. Protoplasta magnetofonu,
telegrafon Poulsena, pojawił się dość wcześnie, bo już w końcu XIX wieku. Nośnikiem
używanym w telegrafonie był drut stalowy. Rozwój elektroniki doprowadził do
skonstruowania studyjnych urządzeń, które głębiej ingerowały w parametry nagrania
dźwięku. Pojawiły się limitery i kompresory dynamiki, korektory graficzne, korektory
parametryczne, bramki szumowe oraz sztuczny pogłos. Konstrukcje urządzeń
analogowych dopracowano do perfekcji. Jeszcze dziś godny podziwu jest tercjowy,
graficzny korektor firmy Nagra z pamięcią ustawienia potencjometrów. Urządzenie było
całkowicie analogowe i dysponowało odstępem sygnału od szumu na poziomie 100 dB.
Wydaje się wątpliwe, aby w najbliżej przyszłości technika analogowa zniknęła zupełnie ze
studiów dźwiękowych. Są oczywiście puryści cyfrowi. Na przykład wytwórnia Chesky od
lat 80. XX wieku używa w torze studyjnym prawie wyłącznie technologii cyfrowej. Wielkie
koncerny nie wyparły z rynku audio niewielkich manufaktur, produkujących wysokiej
klasy (i ceny) sprzęt do odtwarzania dźwięku. W ostatnich kilku latach obserwujemy
„ograniczony” renesans płyty gramofonowej.

W przeciwieństwie do sprzętu audio, odtwarzanie obrazu jest zdominowane przez urządzenia
cyfrowe. W praktyce część analogowa studiów telewizyjnych składa się jedynie z urządzeń do
akwizycji obrazu naturalnego i monitorów. Dawne lampy obrazowe w kamerach
telewizyjnych (widikony) zostały zastąpione przez matryce CCD. Konstruktorzy matrycy CCD
zostali nawet uhonorowani nagrodą Nobla. W zasadzie matryca CCD jest urządzeniem w
połowie „cyfrowym” i w połowie analogowym. Składa się ona z dyskretnych elementów
światłoczułych, które jednak mierzą sygnały świetlne analogowo. W CCD docierające do
sensora światło powoduje ładowanie kondensatorów, dołączonych do każdego elementu
światłoczułego matrycy, po czym ładunek jest przenoszony do tzw. ciemnej części matrycy i
dopiero tam następuje przetwarzanie ADC. Można powiedzieć, że matryca CCD próbkuje
obraz, ale nie dokonuje kwantyzacji mierzonego rozkładu natężeń oświetlania.

W technice studyjnej: telewizyjnej i filmowej analogowe urządzenia do postprodukcji
zastąpiono komputerami lub komputerami wyspecjalizowanymi (takie rozwiązania stosowała
np. firma Quantel). Starsze analogowe zestawy montażu liniowego zastąpiły urządzenia
wirtualne (tzw. montaż nieliniowy). W stosunku do techniki analogowej możliwości urządzeń
wirtualnych (komputer i oprogramowanie) pozwalają na zastosowanie pewnych narzędzi,
które były praktycznie niedostępne w technice analogowej. Chodzi na przykład o studio
wirtualne, montaż kompozycyjny, cyfrową animację 3D czy 2D.

Istnieją jednak pewne obszary, gdzie technika analogowa nie może być jeszcze zastąpiona
technologiami wirtualnymi. Wszędzie gdzie jest wymagana bardzo niska latencja sygnału
przy przetwarzaniu, urządzenia analogowe są bezkonkurencyjne. Na przykład
niedopuszczalne jest, jeśli oprogramowanie wirtualnego syntezatora instrumentu
muzycznego wyprowadzi sygnał na wyjście (głośnik) z dużym, zauważalnym opóźnieniem.

Współczesna studyjna technika telewizyjna czy radiowa składa się z następujących działów:
produkcja, pre-produkcja (w telewizyjnych studiach wirtualnych), post-produkcja,
emisja/dystrybucja oraz archiwizacja. Większość elementów wyposażenia studiów
telewizyjnych jest realizowana w technologiach cyfrowych. Najwięcej „analogu” występuje
w archiwizacji (kolekcje nagrań utrwalonych na starych nośnikach). Drugim działem jest
emisja/dystrybucja, która dla rozsiewu TV będzie jeszcze „analogowa” do 2013 roku, kiedy
to nadajniki z modulacją FM/AM zostały wyłączone w Polsce.

Trudno jest przewidywać, kiedy radiowe cyfrowe systemy emisyjne, np. DAB, pojawią się w
Polsce. Techniki cyfrowe pozwalają na przekazywanie wielu formatów obrazów w różnej
głębokości kompresji (stratnej). Zwiększenie przepływności sieci telekomunikacyjnych
znacznie wzrosło w ostatnich kilku latach. Te dwa fakty spowodowały wzrost występowania
treści audiowizualnych dostępnych w Internecie w formach przekazu „ściąganego” (z
pełnym buforowaniem) oraz strumieniowego (z buforowaniem częściowym).

Bardzo często można usłyszeć, że przekaz „cyfrowy” sygnału jest lepszy od przekazu
analogowego, ponieważ jest bardziej odporny na zakłócenia. W zasadzie nigdy nie mamy do
czynienia z przekazem stricte cyfrowym w systemach cyfrowej emisji radiowej i telewizyjnej.
Mówiąc np. „rozsiew cyfrowy sygnału telewizyjnego”, używamy pewnego skrótu myślowego.
Dla przykładu rozpatrzmy analogowy rozsiew telewizyjny. W systemach analogowej emisji TV
sygnał wizyjny (pomińmy detale standardów: PAL, NTSC, SECAM) jest podawany do
modulatora, który moduluje falę nośną sygnałem wizyjnym. W systemach telewizji analogowej
(PAL, NTSC, SECAM) wykorzystuje się modulację częstotliwości (AM) dla wizji oraz modulację
amplitudy (FM) dla dźwięku. Zmodulowana fala nośna obejmuje pewne pasmo częstotliwości
(w Polsce jest to pasmo o szerokości 8MHz).

W systemach telewizji cyfrowej DVB lub ATSC modulacja jest bardziej złożonym procesem,
ponieważ wizyjny sygnał dyskretny koduje informację cyfrową na wielu tzw. podnośnych
(wiele fal nośnych), znajdujących się w tym samym paśmie, co zmodulowana fala nośna
telewizji analogowej. Takie rozwiązanie zostało wybrane, aby nie zmieniać struktury podziału
pasm, które przyznawane są nadawcom przez Urząd Komunikacji Elektronicznej (UKE). Fale
podnośne zostały wybrane „sprytnie”, gdyż użyto fal tzw. ortogonalnych. Zastosowanie tego
triku powoduje, że nie mogą się one zakłócać nawzajem. Mechanizm kodowo-modulacyjny,
używany w telewizji cyfrowej, nazywa się COFDM. Jest on dość skomplikowany i
zaprezentowanie jego detali działania wykracza poza ramy niniejszego eseju. Warto może
wspomnieć, że w przypadku przesyłania sygnału cyfrowej telewizji np. DVB w środowiskach
o różnym poziomie zaszumienia stosuje się odmienne metody modulacji oraz szerokości
bitowej kodowania zabezpieczającego. Zależy od nich efektywność upakowania programów
telewizji wieloprogramowej. W paśmie 8MHz w telewizji analogowej mieści się jeden
program SDTV, natomiast w telewizji cyfrowej, stosując kompresję strumieni cyfrowych oraz
mechanizmy kodowo-modulacyjne (COFDM) można upakować ponad 10 programów o
parametrach obrazu i dźwięku odpowiadających analogowej telewizji SDTV. Mechanizm
kompresji sekwencji obrazu (MPEG2, MPEG4) nie ma znaczenia dla systemów DVB i ATSC,
ponieważ definiują one jedynie sposób transportu dla cyfrowych strumieni audio/wideo.

Pozostał jeszcze do omówienia ostatni dział techniki radiowej i telewizyjnej. Radiofonie
działają od ponad 90 lat, telewizje od lat 60. Przez ten czas zgromadzono bogate zasoby
audiowizualne w archiwach. Są to zarejestrowane programy TV, filmy i nagrania dźwiękowe.
Niestety wszystkie nośniki używane do zapisów A/V nie pozwalają na długoterminowe
przechowywanie treści audiowizualnej. Różnorodność nośników w archiwach radiowych i
telewizyjnych odwzorowuje wiele lat rozwoju techniki. Bardzo trudno dziś o stare urządzenia
do odtwarzania takich zapisów, dokonanych np. na taśmach magnetycznych A, C. Łatwiej jest
znaleźć urządzenia do odczytu treści A/V z analogowych taśm magnetycznych systemu Sony-
Betacam, błon filmowych, taśm magnetofonowych czy płyt gramofonowych komercyjnych i
studyjnych (decelitowych). Obecnie taśma magnetyczna wychodzi z użycia i jest zastępowana
dyskami twardymi, pamięciami elektronicznymi czy nośnikami optycznymi. W dystrybucji
nagrań za pomocą nośników, taśmy magnetyczne zostały wyparte przez optyczne nośniki
„cyfrowe” (CD/DVD/BluRay). Bardzo popularne od początku lat 60. magnetofony kasetowe
zostały wycofane kilka lat temu z produkcji. Podobnie nie są już produkowane, popularne
jeszcze w pierwszych latach XXI wieku, magnetowidy systemu VHS. Również sprzęt
konsumencki wideo (kamwidy i magnetowidy) na kasety magnetyczne Hi8 został już
wycofany z produkcji. Studyjne urządzenia do odtwarzania analogowych nośników są
wytwarzane na zamówienie (np. analogowe magnetofony Nagra) lub mechanizm odtwarzania
takich nośników jest implementowany w urządzeniach cyfrowych (Digital Betacam DVW
A500P).

Różnice w używanych na przestrzeni ponad 60 lat nośnikach magnetycznych są znaczne z
punktu widzenia fizyki. Pierwsze proszkowe taśmy magnetyczne miały stosunkowo grube
ziarno. Obecne używane proszki ferromagnetyczne mają rozmiary zbliżające się do tzw. granicy
superparamagnetycznej. Coraz mniejsze średnice proszków, używane do wytwarzania taśm
cyfrowych lub dysków twardych pozwalają na większe upakowanie informacji na tej samej
powierzchni. Niestety, po przekroczeniu gradacji proszku ferromagnetycznego na poziomie 6
nm, namagnesowanie znika z powodu obniżenia się temperatury Curie wraz z grubością
proszku. Dla proszku ferromagnetycznego o gradacji 3 nm temperatura Curie przejścia
fazowego ferromagnetyk-superparamagnetyk spada poniżej zera Celsjusza. W praktyce
budowanie nośników, które pracowałby w temperaturach niższych od temperatury co najmniej
pokojowej, byłoby bardzo dużym ograniczeniem użytkowym. Taśmy magnetofonowe były
pokryte proszkami o względnie grubym ziarnie, co powodowało, że trwałość zapisów na takich
taśmach jest stosunkowo długoletnia. Po kilkunastu latach przechowywania nagrań zapisanych
na analogowych taśmach magnetofonowych obserwuje się wzrost szumu o 10-12 decybeli. Efekt
wzrostu szumu nazywany jest rozmagnetyzowaniem samoistnym. W przypadku taśm cyfrowych
wzrost szumu w pewnym momencie spowoduje całkowitą utratę czytelności zapisu. W takim
przypadku mechanizmy korekcji nie są w stanie odbudować informacji. Nawet silnie
zaszumione zapisy na nośnikach analogowych można poddawać procesom tzw. rekonstrukcji.

Do tej pory zapisy analogowe dla pewnych typów nośników okazały się dość trwałe i pozwalają
na odczyt informacji audiowizualnej nawet po 180 latach np. dagerotypy. W przypadku
nośników cyfrowych producenci sugerują czas trwałości zapisów na kilkanaście lat, może
kilkadziesiąt lat. Bez specjalnie skonstruowanych systemów do archiwizacji wieloletniej nie
będzie można przechowywać bezpiecznie zapisów audiowizualnych w archiwach bez
dodatkowych, okresowo wykonywanych zabiegów, np. migracji informacji na nowe nośniki czy
automatycznej regeneracji stanu zapisu.

Podsumowując krótkie rozważania na temat techniki analogowej, można powiedzieć, że
odejście od niej na rzecz techniki cyfrowej nie może być pełne w XXI wieku. Urządzenia do
akwizycji naturalnych obrazów i dźwięków oraz końcowej reprodukcji sygnałów analogowych
będą nadal rozwijanie i doskonalone. Również technika analogowa będzie miała przewagę nad
cyfrową w przypadkach, w których wystąpi konieczność uzyskania bardzo niskiej latencji
przetwarzanego sygnału. Zarazem to technika cyfrowa pozwala na łatwiejszą implantację
urządzeń (sprzętowych i wirtualnych) do edycji i zaawansowanej obróbki zapisów lub
strumieni A/V, czym bije na głowę technikę analogową.

Document Outline