Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Звук можно записывать, хранить и воспроизводить с использованием цифровых или аналоговых методов. Оба метода вносят ошибки и искажения в звук, и эти методы можно систематически сравнивать. Музыканты и слушатели спорят о превосходстве цифровых звукозаписей над аналоговыми. Аргументы в пользу аналоговых систем включают отсутствие основных механизмов ошибок, которые присутствуют в цифровых аудиосистемах, включая наложение спектров и шум квантования . [1] Сторонники цифрового звука указывают на высокий уровень производительности, возможный с цифровым звуком, включая превосходную линейность в слышимом диапазоне и низкие уровни шума и искажений. [2]: 7

Два существенных различия в производительности между двумя методами - это полоса пропускания и отношение сигнал / шум ( отношение сигнал / шум). Пропускная способность цифровой системы определяется, в соответствии с частотой Найквиста , по частоте дискретизации , используемой. Полоса пропускания аналоговой системы зависит от физических возможностей аналоговых цепей. Отношение сигнал / шум цифровой системы может быть ограничено битовой глубиной процесса оцифровки, но электронная реализация схем преобразования вносит дополнительный шум. В аналоговой системе существуют и другие естественные источники аналогового шума, такие как фликкер-шум.и недостатки носителя записи. Другие различия в производительности характерны для сравниваемых систем, например, возможность более прозрачных алгоритмов фильтрации в цифровых системах [3] и изменение гармонического насыщения и скорости аналоговых систем.

Динамический диапазон [ править ]

Динамический диапазон аудиосистемы является мерой разности между наименьшим и наибольшим значениями амплитуды , которые могут быть представлены в среде. Цифровые и аналоговые различаются как методами передачи и хранения, так и поведением, которое системы демонстрируют благодаря этим методам.

Динамический диапазон цифровых аудиосистем может превышать динамический диапазон аналоговых аудиосистем. Бытовые аналоговые кассеты имеют динамический диапазон от 60 до 70 дБ. Аналоговые FM-передачи редко имеют динамический диапазон, превышающий 50 дБ. [4] Динамический диапазон виниловой пластинки с прямой нарезкой может превышать 70 дБ. Аналоговые студийные мастер-ленты могут иметь динамический диапазон до 77 дБ. [5] LP, изготовленный из идеального алмаза, имеет размер атомных элементов около 0,5 нанометра , что с размером канавки 8 микрон дает теоретический динамический диапазон 110 дБ. Пластинка, сделанная из идеального винилового пластинки, будет иметь теоретический динамический диапазон 70 дБ.[6] Измерения показывают максимальную фактическую производительность в диапазоне от 60 до 70 дБ. [7] Как правило, 16-битный аналого-цифровой преобразователь может иметь динамический диапазон от 90 до 95 дБ, [8] : 132, тогда как отношение сигнал / шум (примерно эквивалентно динамическому диапазону, с учетом отсутствие шума квантования, но наличие шипения ленты) для профессионального катушечного ¼-дюймового магнитофона будет между 60 и 70 дБ при номинальной мощности записывающего устройства. [8] : 111

Преимущества использования цифровых записывающих устройств с точностью более 16 бит могут быть применены к 16 битам аудио компакт-диска. Стюарт подчеркивает, что при правильном дизеринге разрешение цифровой системы теоретически бесконечно, и что можно, например, разрешить звуки на уровне -110 дБ (ниже цифровой полной шкалы) в хорошо спроектированном 16-битном канале. [9] : 3

Условия перегрузки [ править ]

Существуют некоторые различия в поведении аналоговых и цифровых систем при наличии сигналов высокого уровня, когда существует вероятность того, что такие сигналы могут вызвать перегрузку системы. С сигналами высокого уровня аналоговая магнитная лента приближается к насыщению , и высокочастотный отклик падает пропорционально низкочастотному отклику. Хотя это нежелательно, слышимый эффект от этого может быть вполне приемлемым. [10] В отличие от этого, цифровые диктофоны PCM показывают небезопасное поведение при перегрузке; [11] : 65сэмплы, которые превышают пиковый уровень квантования, просто усекаются, ограничивая форму волны прямо, что вносит искажения в виде большого количества высокочастотных гармоник. В принципе, цифровые системы PCM имеют самый низкий уровень нелинейных искажений при полной амплитуде сигнала. Обратное обычно верно для аналоговых систем, где искажения имеют тенденцию увеличиваться при высоких уровнях сигнала. В исследовании Мэнсона (1980) рассматривались требования цифровой аудиосистемы для высококачественного вещания. Он пришел к выводу, что 16-битной системы будет достаточно, но отметил небольшой резерв, который система обеспечивала в обычных условиях эксплуатации. По этой причине было предложено использовать быстродействующий ограничитель сигнала или « мягкий клиппер », чтобы предотвратить перегрузку системы.[12]

При большом количестве записей искажения высокого уровня на пиках сигнала могут быть замаскированы на слух исходным сигналом, поэтому большие искажения могут быть допустимы на пиках сигнала. Разница между аналоговыми и цифровыми системами заключается в форме ошибки сигнала высокого уровня. Некоторые ранние аналого-цифровые преобразователи демонстрировали неблагоприятное поведение при перегрузке, когда сигналы перегрузки были «перевернуты» с положительного на отрицательный полный диапазон. Современные конструкции преобразователей, основанные на сигма-дельта-модуляции, могут стать нестабильными в условиях перегрузки. Обычно целью проектирования цифровых систем является ограничение сигналов высокого уровня для предотвращения перегрузки. [11] : 65 Чтобы предотвратить перегрузку, современная цифровая система может сжимать входные сигналы так, что цифровая полная шкала не может быть достигнута.[13] : 4

Физическая деградация [ править ]

В отличие от аналогового дублирования, цифровые копии являются точными копиями, которые , в принципе , можно дублировать бесконечно и без потери генерации . Исправление ошибок позволяет цифровым форматам выдерживать значительный износ носителя, хотя цифровые носители не защищены от потери данных. Потребительские компакт- диски CD-R имеют ограниченный и непостоянный срок службы из-за внутренних проблем и проблем с производственным качеством. [14]

С виниловыми пластинками будет некоторая потеря точности воспроизведения при каждом воспроизведении диска. Это связано с износом иглы при контакте с поверхностью пластинки. Магнитные ленты, как аналоговые, так и цифровые, изнашиваются из-за трения между лентой и головками, направляющими и другими частями ленточного транспортера, когда лента скользит по ним. Коричневый осадок, осевший на тампонах во время очистки тракта ленты магнитофона, на самом деле является частицами магнитного покрытия, сброшенными с лент. Синдром липкости - распространенная проблема старых лент. Ленты также могут иметь складки, растяжения и оборки по краям пластиковой основы ленты, особенно из-за некачественных или несовместимых лент.

При воспроизведении компакт-диска не происходит физического контакта, поскольку данные считываются оптически с помощью лазерного луча. Следовательно, такого ухудшения состояния носителя не происходит, и при надлежащем уходе компакт-диск будет звучать одинаково при каждом воспроизведении (без учета старения проигрывателя и самого компакт-диска); однако это преимущество оптической системы, а не цифровой записи, и формат Laserdisc обладает тем же преимуществом бесконтактности, что и аналоговые оптические сигналы. Компакт-диски подвержены гниению и со временем медленно разрушаются, даже если они правильно хранятся и не воспроизводятся. [15] M-DISC , записываемая оптическая технология, которая позиционируется как доступная для чтения в течение 1000 лет, доступна на определенных рынках, но по состоянию на конец 2020 года никогда не продавалась в формате CD-R.формат. (Однако звук может быть сохранен на M-DISC DVD-R с использованием формата DVD-Audio .)

Шум [ править ]

Для электронных аудиосигналов источники шума включают механический, электрический и тепловой шум в цикле записи и воспроизведения. Количество шума, которое звуковое оборудование добавляет к исходному сигналу, можно определить количественно. Математически это можно выразить через отношение сигнал / шум ( отношение сигнал / шум). Иногда вместо этого указывается максимально возможный динамический диапазон системы.

В цифровых системах качество воспроизведения зависит от этапов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования и не зависит от качества носителя записи при условии, что он позволяет сохранять цифровые значения без ошибок. Цифровые носители, способные к точному хранению и поиску по битам, были обычным явлением в течение некоторого времени, так как они обычно разрабатывались для программного хранения, которое не допускает ошибок.

Согласно теории, процесс аналого-цифрового преобразования всегда приводит к искажению квантования. Это искажение может быть визуализировано как некоррелированный шум квантования с помощью дизеринга . Величина этого шума или искажения определяется количеством уровней квантования. В двоичных системах это определяется и обычно выражается в количестве битов . Каждый дополнительный бит добавляет приблизительно 6 дБ к возможному SNR, например, 24 x 6 = 144 дБ для 24-битного квантования, 126 дБ для 21-битного и 120 дБ для 20-битного. 16-битная цифровая система звукового компакт-диска Red Book имеет 2 16 = 65 536 возможных амплитуд сигнала, что теоретически позволяет получить SNR 98  дБ . [2] :49

Рамбл [ править ]

Грохот - это форма шумовой характеристики, вызванной дефектами подшипников поворотных столов, опорный диск имеет тенденцию к небольшому движению помимо желаемого вращения - поверхность поворотного стола также слегка перемещается вверх-вниз и из стороны в сторону. Это дополнительное движение добавляется к желаемому сигналу в виде шума, обычно очень низких частот, создающего грохочущий звук во время тихих пассажей. В очень недорогих вертушках иногда используются шариковые подшипники , которые, скорее всего, издают слышимый грохот. Более дорогие проигрыватели, как правило, используют массивные подшипники скольжения , которые с гораздо меньшей вероятностью будут создавать неприятный грохот. Увеличенная масса поворотного столатакже имеет тенденцию приводить к уменьшению грохота. У хорошего проигрывателя грохот должен быть минимум на 60 дБ ниже заданного уровня выходного сигнала звукоснимателя. [16] : 79–82 Поскольку на пути прохождения сигнала нет движущихся частей, цифровые системы не подвержены грохоту.

Ничего себе и трепещу [ править ]

Вау и трепетание - это изменение частоты аналогового устройства и результат механических дефектов, причем вау - это более медленная форма трепетания. Вау и дрожание наиболее заметно на сигналах, содержащих чистые тона. Для LP-пластинок качество проигрывателя будет иметь большое влияние на уровень вау и флаттера. Хороший проигрыватель виниловых пластинок будет иметь значения «вау» и «флаттер» менее 0,05%, что является отклонением скорости от среднего значения. [16] Вау и дрожание также могут присутствовать при записи в результате неправильной работы записывающего устройства. Благодаря использованию прецизионных кварцевых генераторов для временной развертки цифровые системы не подвержены колебаниям и колебаниям .

Частотная характеристика [ править ]

Для цифровых систем верхний предел частотной характеристики определяется частотой дискретизации . Выбор частоты дискретизации в цифровой системе основан на теореме Найквиста – Шеннона . Это означает, что дискретизированный сигнал может воспроизводиться точно до тех пор, пока он дискретизируется на частоте, более чем в два раза превышающей ширину полосы сигнала, частоту Найквиста . Следовательно, частота дискретизации 40 кГц математически достаточна для захвата всей информации, содержащейся в сигнале, имеющем частотные компоненты, меньшие или равные 20 кГц. Теорема о дискретизации также требует, чтобы частотная составляющая выше частоты Найквиста была удалена из сигнала перед его дискретизацией. Это достигается с помощьюфильтры сглаживания, которым требуется переходная полоса для значительного уменьшения наложения спектров. Полоса пропускания, обеспечиваемая частотой дискретизации 44 100 Гц, используемой стандартом для аудио компакт-дисков , достаточно широка, чтобы покрыть весь диапазон человеческого слуха , который примерно простирается от 20 Гц до 20 кГц. [2] : 108 Профессиональные цифровые записывающие устройства могут записывать более высокие частоты, в то время как некоторые потребительские и телекоммуникационные системы записывают более ограниченный частотный диапазон.

Высококачественные барабанные машины могут работать в диапазоне от 10 Гц до более 20 кГц. [ необходима цитата ] Некоторые производители аналоговых лент указывают частотные характеристики до 20 кГц, но эти измерения могли быть сделаны при более низких уровнях сигнала. [16] Компактные кассеты могут иметь отклик до 15 кГц при полном уровне записи (0 дБ). [17] На более низких уровнях (-10 дБ) кассеты обычно ограничены до 20 кГц из-за самоуничтожения ленточного носителя.

Частотная характеристика обычного проигрывателя LP может составлять от 20 Гц до 20 кГц, ± 3 дБ. Низкочастотная характеристика виниловых пластинок ограничена грохотом (описанным выше), а также физическими и электрическими характеристиками всего рычага звукоснимателя и преобразователя в сборе. Высокочастотная характеристика винила зависит от картриджа. Записи CD4 содержали частоты до 50 кГц. Экспериментально на пластинках были вырезаны частоты до 122 кГц. [18]

Псевдоним [ править ]

Цифровые системы требуют, чтобы весь высокочастотный сигнал, превышающий частоту Найквиста, был удален перед дискретизацией, что, если этого не сделать, приведет к тому, что эти ультразвуковые частоты «сворачиваются» в частоты, которые находятся в слышимом диапазоне, вызывая своего рода искажение называется алиасингом . В цифровых системах сглаживание предотвращается с помощью фильтра сглаживания . Однако создание аналогового фильтра, который точно удаляет всю частотную составляющую точно выше или ниже определенной частоты среза, нецелесообразно. [19] Вместо этого обычно выбирается частота дискретизации выше требований Найквиста. Это решение называется передискретизацией., и позволяет использовать менее агрессивный и недорогой фильтр сглаживания.

Ранние цифровые системы, возможно, страдали от ряда ухудшений сигнала, связанных с использованием аналоговых фильтров сглаживания, например, временной дисперсии, нелинейных искажений , пульсаций , температурной зависимости фильтров и т. Д. [20] : 8 Использование конструкции с передискретизацией и дельты -сигма-модуляция , менее агрессивный аналоговый фильтр сглаживания может быть дополнен цифровым фильтром. [19] Этот подход имеет несколько преимуществ. Цифровой фильтр можно сделать так, чтобы он имел почти идеальную передаточную функцию, с низкой внутриполосной пульсацией, без старения или теплового дрейфа. [20] : 18

Аналоговые системы не подлежат ограничению Найквиста или наложению спектров и, следовательно, не требуют фильтров сглаживания или каких-либо связанных с ними конструктивных соображений. Напротив, пределы аналоговых форматов хранения определяются физическими свойствами их конструкции.

Частота дискретизации [ править ]

Аудио качества компакт-диска дискретизируется с частотой 44 100 Гц ( частота Найквиста = 22,05 кГц) и 16 бит. Выборка формы сигнала на более высоких частотах и ​​обеспечение большего числа битов на выборку позволяет еще больше уменьшить шум и искажения. DAT может сэмплировать звук с частотой до 48 кГц, а DVD-Audio может иметь частоту 96 или 192 кГц и разрешение до 24 бит. При любой из этих частот дискретизации информация о сигнале захватывается выше диапазона, который обычно считается диапазоном человеческого слуха .

Работа, выполненная в 1981 г. Muraoka et al. [21] показали, что музыкальные сигналы с частотными составляющими выше 20 кГц отличались от сигналов без них только у нескольких из 176 испытуемых. [22] Исследование восприятия, проведенное Nishiguchi et al. (2004) пришли к выводу, что «не было обнаружено значительной разницы между звуками с очень высокочастотными компонентами и без них среди звуковых стимулов и испытуемых ... однако [Nishiguchi et al] до сих пор не могут ни подтвердить, ни опровергнуть возможность того, что некоторые испытуемые могли различать между музыкальными звуками с очень высокочастотными компонентами и без них ». [23]

В тестах слепого прослушивания, проведенных Бобом Кацем в 1996 году и описанных в его книге Mastering Audio: The Art and the Science , испытуемые, использующие одно и то же воспроизводящее оборудование с высокой частотой дискретизации, не могли различить какой-либо слышимой разницы между программным материалом, одинаково отфильтрованным для удаления частот выше 20 кГц против 40 кГц. Это демонстрирует, что наличие или отсутствие ультразвукового содержимого не объясняет слуховых вариаций между частотами дискретизации. Он утверждает, что вариации во многом связаны с характеристиками полосно-ограничивающих фильтров в преобразователях. Эти результаты показывают, что основное преимущество использования более высоких частот дискретизации заключается в том, что они выталкивают последовательные фазовые искажения от ограничивающих полосу фильтров за пределы слышимого диапазона и что в идеальных условиях более высокие частоты дискретизации могут не потребоваться.[24] Данн (1998) исследовал производительность цифровых преобразователей, чтобы увидеть, можно ли объяснить эти различия в характеристиках фильтрами, ограничивающими полосу пропускания, используемыми в преобразователях, и поиском артефактов, которые они вносят. [25]

Квантование [ править ]

Иллюстрация квантования дискретизированной звуковой волны с использованием 4 бит.

Сигнал записывается в цифровом виде аналого-цифровым преобразователем , который измеряет амплитуду аналогового сигнала с регулярными интервалами, определяемыми частотой дискретизации, а затем сохраняет эти дискретизированные числа в компьютерном оборудовании. Номера на компьютерахпредставляют собой конечный набор дискретных значений, что означает, что если аналоговый сигнал дискретизируется в цифровом виде с использованием собственных методов (без дизеринга), амплитуда аудиосигнала будет просто округлена до ближайшего представления. Этот процесс называется квантованием, и эти небольшие ошибки в измерениях на слух проявляются в виде шума или искажений низкого уровня. На эту форму искажения, иногда называемую гранулярным искажением или искажением квантования, указали как на ошибку некоторых цифровых систем и записей, особенно некоторых ранних цифровых записей, где цифровая версия была хуже аналоговой версии. [26]Однако, «если квантование выполняется с использованием правого дизеринга, то единственным следствием оцифровки является добавление белого, некоррелированного, доброкачественного, случайного минимального уровня шума. Уровень шума зависит от количества битов в канал." [9] : 6

Диапазон возможных значений, которые могут быть представлены в числовом виде с помощью выборки, определяется количеством используемых двоичных цифр. Это называется разрешением и обычно называется битовой глубиной в контексте звука PCM. Уровень шума квантования напрямую определяется этим числом, экспоненциально уменьшаясь (линейно в единицах дБ) по мере увеличения разрешения. При достаточной битовой глубине случайный шум из других источников будет преобладать и полностью маскировать шум квантования. Стандарт Redbook CD использует 16 бит, что позволяет удерживать шум квантования на 96 дБ ниже максимальной амплитуды, что намного ниже различимого уровня практически для любого исходного материала. [27]Добавление эффективного дизеринга означает, что «на практике разрешение ограничено нашей способностью распознавать звуки в шуме ... У нас нет проблем с измерением (и прослушиванием) сигналов -110 дБ в хорошо спроектированном 16-битном устройстве. канал." [9] DVD-Audio и самое современное профессиональное записывающее оборудование позволяет записывать сэмплы длиной 24 бита.

Аналоговые системы не обязательно имеют дискретные цифровые уровни, на которых кодируется сигнал. Следовательно, точность, с которой может быть сохранен исходный сигнал, вместо этого ограничивается внутренним минимальным уровнем шума и максимальным уровнем сигнала носителя и оборудования воспроизведения.

Квантование в аналоговой среде [ править ]

Поскольку аналоговая среда состоит из молекул , наименьшая микроскопическая структура представляет наименьшую единицу квантования записанного сигнала. Естественные процессы дизеринга, такие как случайные тепловые движения молекул, ненулевой размер считывающего прибора и другие эффекты усреднения, делают практический предел больше, чем предел мельчайшей молекулярной структурной особенности. Теоретическая пластинка, состоящая из идеального алмаза с размером канавки 8 микрон и размером элемента 0,5 нанометра, имеет квантование, подобное 16-битному цифровому образцу. [6]

Дизеринг как решение [ править ]

Иллюстрация дизеринга, используемого при обработке изображений. Было вставлено случайное отклонение перед уменьшением палитры до 16 цветов, что аналогично эффекту дизеринга на аудиосигнале.

Можно сделать шум квантования мягким на слух, применив дизеринг . Для этого к исходному сигналу перед квантованием добавляется шум. Оптимальное использование дизеринга делает ошибку квантования независимой от сигнала [11] : 143 и позволяет сохранять информацию о сигнале ниже младшего значащего бита цифровой системы. [9] : 3

Алгоритмы дизеринга также обычно имеют возможность использовать какой-то вид шума , который сдвигает частоту большей части шума дизеринга в области, менее слышимые человеческим ухом, снижая уровень шума, очевидного для слушателя.

Дизеринг обычно применяется во время мастеринга перед окончательным уменьшением битовой глубины [24], а также на различных этапах DSP .

Временной джиттер [ править ]

Одним из аспектов, который может ухудшить производительность цифровой системы, является джиттер . Это явление отклонения во времени от того, что должно быть правильным интервалом между дискретными выборками в соответствии с частотой дискретизации. Это может быть связано с неточностью времени на цифровых часах. В идеале цифровые часы должны генерировать тактовый импульс точно через равные промежутки времени. Другими источниками джиттера в цифровых электронных схемах являются джиттер, вызванный данными, когда одна часть цифрового потока влияет на последующую часть по мере его прохождения через систему, и джиттер, вызванный источником питания, когда шум от источника питания вызывает нарушения во времени сигналы в цепях, которые он питает.

Точность цифровой системы зависит от выбранных значений амплитуды, но также зависит от временной регулярности этих значений. Аналоговые версии этой временной зависимости известны как ошибка основного тона и вау-и-флаттер.

Периодический джиттер создает шум модуляции и может рассматриваться как эквивалент аналогового дрожания. [28] Случайное дрожание изменяет минимальный уровень шума цифровой системы. Чувствительность преобразователя к джиттеру зависит от конструкции преобразователя. [11] Было показано, что случайный джиттер в 5  нс может быть значительным для 16-битных цифровых систем. [28]

В 1998 году Бенджамин и Гэннон исследовали слышимость джиттера с помощью тестов прослушивания. [11] : 34 Они обнаружили, что самый низкий уровень слышимости джиттера составляет около 10 нс ( среднеквадратичное значение ). Это было на тестовом синусоидальном сигнале 17 кГц . При прослушивании музыки слушатели не обнаружили дрожания звука на уровнях ниже 20 нс. В статье Ashihara et al. (2005) попытались определить пороги обнаружения случайного джиттера в музыкальных сигналах. Их метод включал тесты прослушивания ABX . Обсуждая свои результаты, авторы отметили, что:

Пока что фактический джиттер в потребительских товарах кажется слишком малым, чтобы его можно было обнаружить хотя бы при воспроизведении музыкальных сигналов. Однако неясно, действительно ли пороги обнаружения, полученные в настоящем исследовании, представляют собой предел слухового разрешения или оно будет ограничено разрешающей способностью оборудования. Искажения из-за очень небольшого джиттера могут быть меньше, чем искажения из-за нелинейных характеристик громкоговорителей. Ашихара и Кирю [8] оценили линейность динамика и наушников. Согласно их наблюдениям, наушники кажутся более предпочтительными для создания достаточного звукового давления на барабанные перепонки с меньшими искажениями, чем громкоговорители. [29]

Обработка сигнала [ править ]

После первоначальной записи аудиосигнал обычно каким-либо образом изменяется, например, с использованием сжатия , эквализации , задержки и реверберации . В случае аналогового сигнала это происходит в виде внешних аппаратных компонентов , а в случае цифрового - то же самое, что обычно достигается с помощью плагинов в цифровой звуковой рабочей станции (DAW).

Сравнение аналоговых и цифровых фильтрации шоу технические преимущества для обоих методов. Цифровые фильтры более точны и гибки. Аналоговые фильтры проще, могут быть более эффективными и не вызывают задержки.

Аналоговое оборудование [ править ]

Фазовый сдвиг: синусоидальная волна красного цвета задерживается во времени, равном углу , показанному синусоидальной волной синим цветом.

При изменении сигнала с помощью фильтра выходной сигнал может отличаться по времени от сигнала на входе, который измеряется как его фазовая характеристика . Многие эквалайзеры демонстрируют такое поведение, когда величина фазового сдвига различается по некоторой схеме и сосредоточена вокруг регулируемой полосы. Хотя этот эффект изменяет сигнал способом, отличным от строгого изменения частотной характеристики, эта окраска иногда может положительно сказаться на восприятии звука аудиосигнала. [ необходима цитата ]

Цифровые фильтры [ править ]

Поскольку задействованные переменные могут быть точно указаны в расчетах, цифровые фильтры могут объективно работать лучше, чем аналоговые компоненты. [3] [30] Другая обработка, такая как задержка и микширование, может быть выполнена точно.

Цифровые фильтры также более гибкие. Например, линейный фазовый эквалайзер не вносит частотно-зависимый фазовый сдвиг. Этот фильтр может быть реализован в цифровом виде с использованием фильтра с конечной импульсной характеристикой, но не имеет практической реализации с использованием аналоговых компонентов.

Практическое преимущество цифровой обработки - более удобный вызов настроек. Параметры подключаемого модуля могут храниться на компьютере, тогда как подробные сведения о параметрах аналогового устройства должны быть записаны или иным образом записаны, если устройство необходимо повторно использовать. Это может быть обременительно, когда целые миксы необходимо вызывать вручную с помощью аналоговой консоли и внешнего оборудования. При работе в цифровом формате все параметры можно просто сохранить в файле проекта DAW и мгновенно вызвать. Большинство современных профессиональных DAW также обрабатывают плагины в реальном времени, а это означает, что обработка может быть в значительной степени неразрушающей до окончательного сведения.

Аналоговое моделирование [ править ]

Сейчас существует множество плагинов, которые включают аналоговое моделирование. Есть звукорежиссеры, которые их одобряют и считают, что они одинаково по звуку сравнивают их с аналоговыми процессами, которые они имитируют. Аналоговое моделирование имеет некоторые преимущества по сравнению с аналоговыми аналогами, такие как возможность удаления шума из алгоритмов и модификаций, чтобы сделать параметры более гибкими. С другой стороны, другие инженеры также считают, что моделирование все еще хуже, чем у подлинных подвесных компонентов, и по-прежнему предпочитают смешивать «нестандартно». [31]

Качество звука [ править ]

Субъективная оценка [ править ]

Субъективная оценка пытается измерить, насколько хорошо аудиокомпонент воспринимается человеческим ухом. Наиболее распространенной формой субъективного теста является тест на прослушивание, когда аудиокомпонент просто используется в контексте, для которого он был разработан. Этот тест популярен среди обозревателей Hi-Fi, когда рецензент в течение некоторого времени использует компонент, который затем описывает производительность в субъективных терминах. Общие описания включают в себя, имеет ли компонент яркий или глухой звук или насколько хорошо компоненту удается представить пространственное изображение .

Другой тип субъективного теста проводится в более контролируемых условиях и пытается устранить возможную предвзятость из тестов прослушивания. Эти виды тестов выполняются с компонентом, скрытым от слушателя, и называются слепыми тестами . Чтобы предотвратить возможную предвзятость со стороны человека, проводящего тест, можно провести слепой тест, чтобы этот человек также не знал о тестируемом компоненте. Этот тип теста называется двойным слепым тестом. Этот вид теста часто используется для оценки производительности сжатия звука с потерями .

Критики двойных слепых тестов считают, что они не позволяют слушателю чувствовать себя полностью расслабленным при оценке компонента системы, и поэтому не могут судить о различиях между различными компонентами, а также в зрительных (неслепых) тестах. Те, кто использует метод двойного слепого тестирования, могут попытаться уменьшить стресс слушателя, выделив определенное время для обучения слушателя. [32]

Ранние цифровые записи [ править ]

Ранние цифровые аудиоаппараты давали неутешительные результаты: цифровые преобразователи вносили ошибки, которые можно было обнаружить на слух. [33] В конце 1970-х звукозаписывающие компании выпустили свои первые пластинки на основе цифровых аудио мастеров. Компакт-диски стали доступны в начале 1980-х годов. В то время аналоговое воспроизведение звука было зрелой технологией .

Ранние цифровые записи, выпущенные на компакт-дисках, были неоднозначны. Было замечено, что по сравнению с виниловой пластинкой компакт-диск намного лучше раскрывает акустику и окружающий фоновый шум среды записи. [34] По этой причине методы записи, разработанные для аналоговых дисков, например размещение микрофона, необходимо было адаптировать к новому цифровому формату. [34]

Некоторые аналоговые записи были преобразованы в цифровые форматы. Аналоговые записи, сделанные в естественной акустике концертного зала, как правило, нуждались в ремастеринге. [35] Процесс ремастеринга время от времени подвергался критике за то, что он плохо выполнялся. Когда исходная аналоговая запись была достаточно яркой, ремастеринг иногда приводил к неестественному акценту на высоких частотах. [35]

Super Audio CD и DVD-Audio [ править ]

Формат Super Audio CD (SACD) был создан Sony и Philips , которые также были разработчиками более раннего стандартного формата аудио CD. SACD использует Direct Stream Digital (DSD) на основе дельта-сигма модуляции . При использовании этого метода аудиоданные сохраняются в виде последовательности значений фиксированной амплитуды (т. Е. 1-бит) с частотой дискретизации 2,884 МГц, что в 64 раза превышает частоту дискретизации 44,1 кГц, используемую CD. В любой момент времени амплитуда исходного аналогового сигнала представлена ​​относительным преобладанием единиц над нулями в потоке данных. Таким образом, этот поток цифровых данных можно преобразовать в аналоговый, пропустив его через аналоговый фильтр нижних частот.

Формат DVD-Audio использует стандартный линейный PCM с переменной частотой дискретизации и битовой глубиной, которые, по крайней мере, совпадают и обычно значительно превосходят таковые для стандартного CD Audio (16 бит, 44,1 кГц).

В популярной Hi-Fi прессе высказывались предположения, что линейный PCM «вызывает стрессовую реакцию у людей», и что DSD «является единственной системой цифровой записи, [...] не имеющей этих эффектов». [36] Это утверждение, по-видимому, происходит из статьи доктора Джона Даймонда в 1980 году . [37] Суть утверждения о том, что записи PCM (единственная доступная в то время технология цифровой записи) вызвала стрессовую реакцию, основывалась на использовании псевдонаучной техники прикладной кинезиологии , например, доктором Даймондом на презентации AES 66th Convention (1980). с таким же названием. [38]Даймонд ранее использовал подобную технику, чтобы продемонстрировать, что рок-музыка (в отличие от классической) вредна для вашего здоровья из-за наличия «остановленного анапестического ритма». [39] Заявления Даймонда относительно цифрового звука были поддержаны Марком Левинсоном , который утверждал, что, хотя записи в формате PCM вызывают стрессовую реакцию, записи в формате DSD - нет. [40] [41] [42] Однако двойной слепой субъективный тест между линейной PCM высокого разрешения (DVD-Audio) и DSD не выявил статистически значимой разницы. Слушатели, участвовавшие в этом тесте, отметили, что им очень трудно слышать разницу между двумя форматами. [43]

Аналоговые предпочтения [ править ]

Виниловое возрождение отчасти из - за несовершенством аналогового аудио, который добавляет «тепло». [44] Некоторые слушатели предпочитают такой звук компакт-дискам. Основатель и редактор журнала The Absolute Sound Гарри Пирсон говорит, что «пластинки решительно более музыкальны. Компакт-диски истощают душу от музыки. Эмоциональная вовлеченность исчезает». Дубовый продюсер Адриан Шервуд испытывает те же чувства к аналоговой кассете, которую он предпочитает из-за ее «более теплого» звука. [45]

Сторонники цифрового формата указывают на результаты слепых тестов, которые демонстрируют высокую производительность, возможную с цифровыми записывающими устройствами. [46] Утверждение состоит в том, что «аналоговый звук» - это больше продукт неточностей аналогового формата, чем что-либо еще. Одним из первых и крупнейших сторонников цифрового звука был дирижер-классик Герберт фон Караян , который сказал, что цифровая запись «определенно превосходит любые другие известные нам формы записи». Он также был пионером неудачной цифровой компакт-кассеты и дирижировал первой записью, когда-либо коммерчески выпущенной на компакт-диске: Eine Alpensinfonie Рихарда Штрауса .

Гибридные системы [ править ]

Хотя слова « аналоговый звук» обычно подразумевают, что звук описывается с использованием подхода с непрерывным временем / непрерывными амплитудами как в носителях, так и в системах воспроизведения / записи, а слова « цифровой звук» подразумевают подход с дискретным временем / дискретными амплитудами, существуют методы кодирования. аудио, которое находится где-то между двумя, например, непрерывные временные / дискретные уровни и дискретные временные / непрерывные уровни.

Хотя эти ситуации не так распространены, как «чисто аналоговые» или «чисто цифровые» методы, на практике они встречаются. В самом деле, все аналоговые системы демонстрируют дискретное (квантованное) поведение в микроскопическом масштабе [47], а усилители класса D с асинхронным управлением даже сознательно включают конструкции с непрерывным временем и дискретной амплитудой. Системы с непрерывной амплитудой и дискретным временем также использовались во многих ранних аналого-цифровых преобразователях в виде схем выборки и хранения. Граница еще больше размывается из-за цифровых систем, которые статистически стремятся к аналоговому поведению, чаще всего за счет использования методов стохастического дизеринга и формирования шума. В то время как виниловые пластинки и обычные компакт-кассеты являются аналоговыми носителями и используют квазилинейные методы физического кодирования (например, глубина спиральной канавки, лента напряженности магнитного поля ) без заметного квантования или наложения спектров, существуют аналоговые нелинейные системы, которые демонстрируют эффекты, аналогичные тем, которые встречаются в цифровых системах, такие как наложение спектров и «жесткие» динамические уровни (например, Hi-Fi-звук с частотной модуляцией на видеокассетах, кодированный с ШИМ сигналы).

Хотя эти «гибридные» методы обычно более распространены в телекоммуникационных системах, чем в бытовой аудиосистеме, само по себе их существование стирает различительную грань между определенными цифровыми и аналоговыми системами, по крайней мере, в том, что касается некоторых из их предполагаемых преимуществ или недостатков.

Использование цифровой записи дает много преимуществ по сравнению с аналоговой записью, потому что «числами легче манипулировать, чем канавками на пластинке или намагниченными частицами на ленте». [48] Поскольку цифровое кодирование идеально передает звуковые волны, звук можно воспроизводить без фонового шума.

См. Также [ править ]

  • Аудиофил
  • Измерение качества звука
  • Измерения аудиосистемы
  • История звукозаписи

Ссылки [ править ]

  1. ^ Liversidge, Энтони (февраль 1995). «Аналоговый или цифровой: музыкальная индустрия ошибочно свергнула винил?» . Омни . Vol. 17 нет. 5.
  2. ^ a b c Маес, Ян; Vercammen, Marc, eds. (2001). Цифровые аудиотехнологии: руководство по CD, MiniDisc, SACD, DVD (A), MP3 и DAT (4-е изд.). Focal Press. ISBN 0240516540. Таким образом, 16-битная система дает теоретическое отношение сигнал / шум 98 дБ ...
  3. ^ a b «Глава 21: Сравнение фильтров» . dspguide.com . Проверено 13 сентября 2012 года .
  4. ↑ Марк Гаррисон (23 сентября 2011 г.). «Энциклопедия домашней записи: динамический диапазон» .
  5. ^ "Современная передача звука" . Аудиоархив . Проверено 14 мая 2018 . Соотношение сигнал-шум NAB (1/4-дюймовая двухдорожечная дорожка 2,0 мм, среднеквадратичное значение, A-взвешенное) 30 дюймов в секунду - 75 дБ
  6. ^ a b Джим Лесурф (18 мая 2000 г.). «Цифровые дефекты долгоиграющей пластинки» . Университет Сент-Эндрюс . Проверено 22 сентября 2017 года .
  7. ^ Майкл Fremer (6 января 1999). "Передайте фонокорректор Aleph Ono" . Проверено 14 мая 2018 . Cite magazine requires |magazine= (help)
  8. ^ a b Метцлер, Боб (2005). Справочник по измерениям звука (2-е изд.). Audio Precision, США . Проверено 9 марта 2008 года .
  9. ^ a b c d Стюарт, Дж. «Кодирование высококачественного цифрового звука» (PDF) . Meridian Audio Ltd. Архивировано из оригинала (PDF) 11 октября 2007 года . Проверено 9 марта 2008 г. Эта статья практически такая же, как и статья Стюарта в JAES 2004 г. «Кодирование для аудиосистем высокого разрешения» , журнал Общества инженеров аудио , том 52, выпуск 3, стр. 117–144; Март 2004 г.
  10. ^ Эльси, Питер (1996). «Аналоговая запись звука» . Студия электронной музыки в Калифорнийском университете в Санта-Крус. Архивировано из оригинального 16 октября 2009 года . Проверено 9 марта 2008 года .
  11. ^ a b c d e Данн, Джулиан (2003). «Методы измерения для цифрового звука: Примечание № 5 по применению прецизионного звука» . Audio Precision, Inc. Архивировано из оригинала 20 марта 2007 года . Проверено 9 марта 2008 года .
  12. Перейти ↑ Manson, W. (1980). «Цифровой звук: разрешение кодирования студийного сигнала для вещания» (PDF) . Исследовательский отдел BBC, инженерный отдел. п. 8.
  13. ^ Джонс, Уэйн; Вулф, Майкл; Таннер, Теодор С. Младший; Дину, Даниэль (март 2003 г.). Проблемы тестирования аудиоустройств персональных компьютеров . 114-я Конвенция AES. Архивировано из оригинала 7 марта 2008 года . Проверено 9 марта 2008 года .
  14. ^ «CD-R не читается менее чем через два года» . myce.com . Проверено 1 февраля 2007 года .
  15. ^ Байерс, Фред R (октябрь 2003 г.). «Уход и обращение с CD и DVD» (PDF) . Совет по библиотечным и информационным ресурсам . Проверено 27 июля 2014 года .
  16. ^ a b c Дрисколл Р. (1980). Практический звук Hi-Fi , «Аналоговые и цифровые», страницы 61–64; «Подборщик, рука и поворотный стол», страницы 79–82. Хэмлин. ISBN 0-600-34627-7 . 
  17. Перейти ↑ Stark, C. (1989). «Высококачественные концепции и системы». Статья Macropaedia "Звук". 27 (15 изд.). Британская энциклопедия . п. 625.
  18. ^ «мастеринг» . Positive-feedback.com . Проверено 15 августа 2012 года .
  19. ^ а б Томпсон, Дэн. Понимание звука . Беркли Пресс, 2005, гл. 14.
  20. ^ a b Хоксфорд, Малкольм (сентябрь 1991 г.). Введение в цифровые аудиоизображения аудио (PDF) . Материалы 10-й Международной конференции AES. Лондон. Архивировано из оригинального (PDF) 29 сентября 2007 года . Проверено 9 марта 2008 года .
  21. ^ Мураока, Теруо; Ивахара, Макото; Ямада, Ясухиро (1981). «Исследование требований к ширине полосы аудиосигнала для оптимальной передачи звукового сигнала». Журнал Общества звукорежиссеров . 29 (1/2): 2–9.
  22. ^ Каору, А .; Шого, К. (2001). Порог обнаружения для тонов выше 22 кГц . 110-я конвенция AEC. Документ 5401 Общества звукорежиссеров
  23. ^ Nishiguchi Тошиюки; Иваки, Масакадзу; Андо, Акио (2004). Восприятие различий между музыкальными звуками с очень высокочастотными компонентами и без них . Записка NHK Laboratories № 486 (Отчет). NHK . Архивировано из оригинального 16 октября 2015 года . Проверено 15 августа 2012 года .
  24. ^ а б Кац, Боб (2015). Освоение аудио: искусство и наука (3-е изд.). Focal Press. п. 316-318. ISBN 978-0240818962.
  25. ^ Данн, Джулиан (1998). «Антиалиас и фильтрация изображений: преимущества форматов с частотой дискретизации 96 кГц для тех, кто не слышит выше 20 кГц» (PDF) . Nanophon Limited . Проверено 27 июля 2014 года .
  26. ^ Колено, Энтони Б .; Хоксфорд, Малкольм Дж. (Февраль 1995 г.). Оценка цифровых систем и цифровой записи с использованием аудиоданных в реальном времени . 98-я Конвенция AES. п. 3.
  27. ^ Хасс, Джеффри (2013). «Глава 5: Принципы цифрового звука» . Центр электронной и компьютерной музыки . Университет Индианы.
  28. ^ a b Рамси, Ф .; Уоткинсон, Дж (1995). «Разделы 2.5 и 6». Справочник по цифровому интерфейсу (2-е изд.). Focal Press. С. 37, 154–160.
  29. ^ Ашихара, Kaoru; Кирю, Сёго; Коидзуми, Нобуо; Нисимура, Акира; Охга, Джуро; Савагути, Масаки; Ёсикава, Шокитиро (2005). «Порог обнаружения искажений из-за дрожания цифрового звука» . Акустическая наука и техника . 26 (1): 50–54. DOI : 10.1250 / ast.26.50 . Архивировано из оригинального 12 августа 2009 года . Проверено 31 января 2014 года .
  30. ^ Джон Эргл, Крис Форман (2002). Аудиотехника для усиления звука, преимущества цифровой передачи и обработки сигналов . ISBN 9780634043550. Проверено 14 сентября 2012 года .
  31. ^ "Секреты инженеров микширования: Крис Лорд-Алдж" . Май 2007 . Проверено 13 сентября 2012 года .
  32. ^ Тул, Флойд (1994). «Раздел 11.7: Экспериментальная процедура». В Борвике, Джон (ред.). Справочник по громкоговорителям и наушникам (2-е изд.). Focal Press. С. 481–488. ISBN 0-240-51371-1.
  33. ^ Уоткинсон, J. (1994). «Раздел 1.2: Что такое цифровой звук? Что мы можем слышать?». Введение в цифровой звук . Focal Press. стр.  3 , 26. ISBN 0-240-51378-9.
  34. ^ a b Гринфилд, E .; и другие. (1986). Марш, Иван (ред.). Руководство Penguin по компакт-дискам, кассетам и пластинок . Книги Пингвинов, Англия.
  35. ^ a b Гринфилд, E .; и другие. (1990). "Предисловие". В марте Иван (ред.). Руководство Penguin по компакт-дискам . Книги Пингвинов, Англия. стр. viii – ix. ISBN 0-14-046887-0.
  36. ^ Hawksford, М. (2001). SDM против LPCM: дебаты продолжаются (PDF) . 110-я Конвенция AES. Архивировано из оригинального (PDF) 13 мая 2006 года, документ 5397.
  37. ^ Джон Даймонд (2003) [1980]. «Человеческий стресс, вызванный цифровыми записями» . Алмазный центр . Архивировано из оригинального 12 августа 2004 года . Проверено 17 июля 2013 года .
  38. ^ Даймонд, Джон; Лагадек, Роджер (декабрь 1985 г.). "Подробнее о человеческом стрессе, вызванном цифровыми записями, и ответ" . Журнал Общества звукорежиссеров . AES . 33 (12): 968 . Проверено 16 августа 2013 года .
  39. ^ Фуллер, Джон Грант (1981). Все ли в порядке с детьми ?: Поколение рока и его скрытое желание смерти . С.  130–135 . ISBN 0812909704.
  40. ^ Левинсон, Марк. «Оживление аудиоиндустрии: музыка и здоровье» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 23 марта 2014 года.
  41. ^ Левинсон, Марк. «Марк Левинсон: компакт-диск против SACD и LP» . Redrosemusic.com. Архивировано из оригинального 29 февраля 2012 года . Проверено 16 августа 2013 года .
  42. ↑ Филлипс, Уэс (5 июля 2005 г.). «Марк Левинсон и Рыжая рысь» . Стереофилия. Stereophile.com . Проверено 16 августа 2013 года .
  43. ^ Блеч, Доминик; Ян, Мин-Чи (8–11 мая 2004 г.). DVD-Audio против SACD: Восприятие дискриминации форматов цифрового аудиокодирования (PDF) . Конвенция AES: 116. Берлин: Общество звукорежиссеров . Архивировано из оригинального 27 сентября 2007 года . Проверено 27 июля 2014 года .
  44. ^ Deffes, Olivia (30 января 2020). «Повторное выступление: Меломаны снова разогреваются под винил» . Адвокат . Проверено 30 января 2020 года .
  45. ↑ Джеймс Пол (26 сентября 2003 г.). «Прошлой ночью микс-кассета спасла мне жизнь | Музыка | Хранитель» . Лондон: Arts.guardian.co.uk . Проверено 15 августа 2012 года .
  46. ^ "Статья о тестировании ABX" . Бостонское аудио общество. 23 февраля 1984 . Проверено 15 августа 2012 года .
  47. ^ Lesurf, Джим. "Аналоговый или цифровой?" . Шотландский справочник по электронике . St-andrews.ac.uk . Проверено 15 августа 2012 года .
  48. ^ Рудольф, Томас Э .; Леонард, Винсент А. (2001). Запись в цифровом мире . Публикации Berklee Press. п. 3. ISBN 0634013246.

Библиография [ править ]

  • Либби, Тед (февраль 1995 г.). «Цифровой или аналоговый: цифровая музыка на компакт-дисках является отраслевым стандартом» . Омни . Vol. 17 нет. 5.
  • Польманн, К. (2005). Принципы цифрового аудио, 5-е изд., McGraw-Hill Comp.

Внешние ссылки [ править ]

  • Даннинг, Брайан . «Скептоид № 303: виниловые записи лучше цифровых?» . Скептоид .