debata na temat analogowego i cyfrowego dźwięku jest bardzo polaryzacyjna. Zauważyłem, że większość ludzi broni jednej lub drugiej strony, pozostawiając mało miejsca na niuanse. Prawda jest taka, że zarówno dźwięk analogowy, jak i cyfrowy mają wady i zalety. Mam nadzieję zaoferować bezstronne wyjaśnienie różnic w tym poście.
różnica między analogowym i cyfrowym dźwiękiem znajduje się w sposobie przechowywania informacji audio. Fale dźwiękowe to seria wibracji przez medium. Analogowa technologia nagrywania dźwięku przechowuje te informacje, tworząc serię ładunków magnetycznych wzdłuż szpuli taśmy magnetycznej. Cyfrowa technologia audio przechowuje informacje audio jako szereg wartości liczbowych na dysku twardym.
w tym poście poznasz zalety i wady każdej metody nagrywania wraz z różnicą między analogowymi i cyfrowymi technologiami audio dla aplikacji dźwiękowych na żywo.
różnica między analogowym i cyfrowym dźwiękiem znajduje się w sposobie przechowywania informacji audio. Analogowa technologia nagrywania dźwięku przechowuje te informacje, tworząc serię ładunków magnetycznych wzdłuż szpuli taśmy magnetycznej. Cyfrowa technologia audio przechowuje informacje audio jako szereg wartości liczbowych na dysku twardym.
informacje w tym poście zostały napisane tak, aby były jak najbardziej zrozumiałe. Niektóre pojęcia w tym artykule będą miały większy sens, jeśli masz podstawową wiedzę na temat działania dźwięku. Jeśli uważasz, że którakolwiek z poniższych sekcji jest myląca, możesz odnieść się do tego postu, który napisałem na temat audio basics.
zanim zacznę omawiać różnice między cyfrowymi i analogowymi systemami audio, myślę, że ważne jest, aby wspomnieć, że wszystkie cyfrowe systemy audio zawierają jakąś analogową technologię audio. Mikrofony to Analogowe urządzenia audio, które przekształcają energię akustyczną w analogowy sygnał elektryczny. Przedwzmacniacze, Końcówki mocy i kolumny to również urządzenia analogowe. Głównym celem tej sekcji będzie podkreślenie kluczowych różnic w technologii nagrywania analogowego i cyfrowego.
dźwięk analogowy
Taśma magnetyczna
Taśma magnetyczna jest najlepszą analogową metodą audio do nagrywania i odtwarzania. Maszyny taśmowe działają na następującej zasadzie: gdy prąd elektryczny jest przesyłany przez drut, wokół drutu tworzy się pole magnetyczne i odwrotnie.
aby nagrać dźwięk, Maszyna taśmowa wysyła elektryczne sygnały audio przez zwinięty drut otaczający magnes, który jest utrzymywany w bliskiej odległości od taśmy magnetycznej. Ta Cewka drutu otaczającego magnes nazywana jest głowicą rekordową. Gdy taśma przechodzi przez pole magnetyczne utworzone przez głowicę nagrywającą, cząstki wzdłuż taśmy są naładowane magnetycznie. Wzór ładunków magnetycznych wzdłuż taśmy przypomina sygnał audio przesyłany przez cewkę przewodu. Amplituda sygnału audio koreluje z wielkością ładunków magnetycznych wytworzonych na taśmie.
aby odtworzyć dźwięk, Proces jest odwrócony. Namagnesowana taśma tworzy prąd elektryczny na głowicy play, który łączy się ze wzmacniaczem, który ma być odtwarzany przez głośniki.
istnieją różne rodzaje taśm i maszyn taśmowych, które wpływają na jakość nagrywanego dźwięku. Dwie główne zmienne To prędkość taśmy i szerokość taśmy.
Prędkość taśmy
szybkość, z jaką taśma przechodzi przez głowicę nagrywającą, wpływa na jakość nagrania. Większa prędkość taśmy powoduje nagrywanie z większą częstotliwością, mniejszym syczeniem i krótszymi przerwami. Prędkość maszyny taśmowej jest mierzona w calach na sekundę (ips). Typowe prędkości maszyny taśmowej to 7 – ½ ips, 15 ips i 30 ips. Standardem profesjonalnego nagrywania jest 15 ips.
Szerokość taśmy
szerokość taśmy wpływa również na jakość nagrania. Szersza taśma pozwala na nagrywanie o wyższej jakości. Jednak szerokość taśmy może być wykorzystana do nagrywania większej liczby ścieżek, zamiast poprawiać jakość dźwięku pojedynczej ścieżki. Pozwala to na niezależne nagrywanie i odtwarzanie kilku źródeł.
płyty winylowe
płyty winylowe są standardowym nośnikiem dla Analogowych nagrań audio. Są łatwiejsze w utrzymaniu, przechowywaniu i dystrybucji. W porównaniu z taśmą, płyty winylowe są mniej podatne na elementy. Podczas gdy taśma może zostać zniszczona przez ekspozycję magnetyczną, płyty winylowe są odporne na działanie pól magnetycznych, ponieważ wykorzystują inne środki przechowywania dźwięku. Zamiast ładunku magnetycznego, teksturowane rowki na powierzchni płyt winylowych przechowują informacje audio.
gdy płyta winylowa obraca się w określonym tempie, rysik przemieszcza się przez rowki na jej powierzchni. Gdy rysik porusza się tam iz powrotem z rowkami, tworzy prąd elektryczny w przewodzie, który łączy się ze wzmacniaczem, który ma być odtwarzany przez głośniki. Amplituda sygnału audio jest skorelowana z intensywnością ruchu rysika.
Animagraffs pokazuje jak działa płyta winylowa. Animagraffs to strona internetowa, która tworzy niesamowite animacje różnych technologii.
płyty winylowe są używane tylko do odtwarzania we współczesnym świecie. Nagrania analogowe wykonywane są za pomocą taśmy magnetycznej. Taśmy służą do tworzenia odlewów do tłoczenia informacji na płytach winylowych.
Dźwięk Cyfrowy
PCM (Pulse Code Modulation)
PCM, lub Modulacja kodu impulsu, jest standardową metodą kodowania sygnałów audio na informacje binarne. W analogowym nagrywaniu dźwięku model fal dźwiękowych jest tworzony za pomocą ładunku magnetycznego. Jednak PCM tworzy model fal dźwiękowych, przechowując sekwencję wartości liczbowych, które reprezentują amplitudę w różnych punktach wzdłuż fali.
wartości te są reprezentowane przez grupy binarnych bitów, zwanych samples. Każda próbka reprezentuje wartość liczbową w określonym z góry zakresie możliwych wartości. Proces ten nazywa się kwantyzacją i jest wykonywany przez konwerter analogowo-cyfrowy (konwerter a-to-D).
podczas odtwarzania nagrania cyfrowego próbki są konwertowane z powrotem na sygnały elektryczne i przesyłane do głośników. Proces ten jest wykonywany przez przetwornik cyfrowo-analogowy (D-to-a converter lub DAC).
oto uproszczona ilustracja tego, jak fale dźwiękowe są przechowywane za pomocą cyfrowych próbek:
Głębia bitowa
każda próbka reprezentuje wartość w zakresie możliwych wartości. Zakres możliwych wartości jest określony przez głębokość bitową. Głębia bitowa to termin określający liczbę bitów zawartych w każdej próbce.
każdy bit może reprezentować dwie możliwe wartości. Próbki, które wykorzystują więcej bitów, mogą reprezentować większy zakres wartości, a zatem mogą przechowywać dokładniejsze informacje o amplitudzie fali dźwiękowej. Za każdym razem, gdy bit jest dodawany, liczba możliwych wartości jest podwojona. Podczas gdy jeden bit może reprezentować dwie wartości, dwa bity mogą reprezentować cztery wartości, trzy bity mogą reprezentować osiem wartości i tak dalej.
| Bit Depth | Possible Values |
|---|---|
| 1-bit | 2 |
| 2-bit | 4 |
| 4-bit | 16 |
| 8-bit | 256 |
| 16-bit (CD Standard) | 65,536 |
| 24-bit (Professional Standard) | 16,777,216 |
standardowa głębokość bitowa dla płyt CD wynosi 16 bitów, co pozwala na 64,536 możliwych wartości amplitudy. Profesjonalnym standardem jest głębokość bitowa 24-bitowa, co pozwala na 16 777 216 możliwych wartości amplitudy! Jednak większość studiów nagrywa i miksuje za pomocą 32-bitowego zmiennoprzecinkowego, co zostanie omówione w innym poście.
Częstotliwość Próbkowania
częstotliwość próbkowania Określa, ile próbek jest pobieranych z fali dźwiękowej na sekundę. Częstotliwość próbkowania mierzona jest w hercach (Hz). Nagrywanie z wyższą częstotliwością próbkowania pozwala na rejestrację wyższych częstotliwości.
twierdzenie Nyquista mówi, że cyfrowe próbkowanie może wiernie reprezentować częstotliwości mniejsze niż połowa częstotliwości próbkowania. Oznacza to, że jeśli chcesz uchwycić 20kHz, najwyższą częstotliwość słyszalną dla ludzi, musisz użyć częstotliwości próbkowania większej niż 40kHz.
z tego powodu 44,1 kHz jest standardową częstotliwością próbkowania dla płyt CD. Profesjonalne audio dla wideo wykorzystuje standard 48kHz. Wiele nagrań znacznie przekracza te standardy, z częstotliwością próbkowania 96kHz i nie tylko!
chociaż korzyść z wyższych częstotliwości próbkowania jest często rozumiana jako rozszerzenie rejestrowanego zakresu częstotliwości, nie jest to główna korzyść. Nie będę się zbyt głęboko w tym poście, ale ma to więcej wspólnego z rodzajem filtra antyaliasingowego, który może być użyty do filtrowania wyższych częstotliwości z mniejszą liczbą artefaktów. Uzyskana przepustowość nagrania 44,1 kHz i nagrania 96 kHz jest w końcu praktycznie taka sama.
cyfrowe formaty kompresji danych Audio
pliki audio produkowane przez studia nagraniowe są bardzo duże, ze względu na ilość informacji, które zawierają. Jeśli 3-minutowy utwór jest nagrywany z 24-bitową głębią i częstotliwością próbkowania 96 kHz, Rozmiar pliku wyniesie około 52 MB. Ten plik jest zbyt duży dla aplikacji konsumenckich, takich jak streaming. Z tego powodu stosowane są formaty kompresji danych. Kompresja danych jest metodą zmniejszania rozmiaru pliku. Istnieją dwie główne kategorie formatów kompresji danych, stratna i bezstratna.
stratne Formaty kompresji danych (MP3& Streaming)
Jeśli informacje zostaną utracone w procesie kompresji danych, używany format kompresji jest stratny. Niestety, najczęściej używane formaty kompresji danych w audio konsumenckim są stratne. Oznacza to, że chociaż stosowane są specjalne algorytmy w celu zmniejszenia negatywnych skutków, dane są tracone podczas kompresji pliku. Po utracie danych nigdy nie można ich przywrócić.
najpopularniejsze formaty stratnej kompresji danych audio to MP3, AAC i Ogg Vorbis. Formaty te są używane do przechowywania wielu plików z ograniczoną ilością miejsca na dysku twardym lub przesyłania strumieniowego treści przez połączenia internetowe o ograniczonej przepustowości.
zastrzeżone algorytmy stojące za tymi formatami mają na celu priorytetowe traktowanie treści w oparciu o modele ludzkiego postrzegania dźwięku i niszczenie treści o niskim priorytecie.
bezstratne formaty kompresji danych (FLAC& AIFF)
Jeśli w procesie kompresji danych nie zostaną utracone żadne informacje, używany format kompresji jest bezstratny. Niektóre usługi przesyłania strumieniowego, takie jak Tidal, wykorzystują bezstratną kompresję. Korzystając z tych formatów, Informacje mogą być zakodowane w mniejszym pliku, a później dekodowane, ostatecznie przywracając oryginalne informacje PCM jako plik WAV. Chociaż te formaty oszczędzają trochę miejsca w porównaniu do nieskompresowanych plików, nie są one bliskie wydajności formatów stratnych.
kluczowe różnice między analogowym i cyfrowym dźwiękiem: nagrywanie i odtwarzanie
jak widać, analogowe i cyfrowe technologie nagrywania dźwięku mają wspólny cel – stworzyć model przebiegów akustycznych, które mogą być odtwarzane tak dokładnie, jak to możliwe. Każda technologia osiąga ten cel całkiem dobrze. Jakość dźwięku osiągana jedną metodą niekoniecznie jest lepsza od drugiej, po prostu inna. Unikalne cechy każdej metody zostaną zbadane w tej sekcji.
Zakres częstotliwości (Szerokość pasma)
jak wspomniano powyżej, zakres częstotliwości sygnału cyfrowego jest ograniczony do częstotliwości poniżej częstotliwości Nyquista. Teoretycznie górne granice analogowych nośników zapisu są znacznie większe niż ludzki zakres słuchu.
ta różnica nie jest tak znacząca, jak mogłoby się wydawać. Po pierwsze, każda korzyść z rozszerzonej przepustowości poza nagrywanie cyfrowe na 44.Częstotliwość próbkowania 1 kHz byłaby poza zasięgiem ludzkiej percepcji-nie wspominając o rozszerzonych zakresach częstotliwości możliwych dzięki wyższym częstotliwościom próbkowania.
Po drugie, większość sprzętu audio (mikrofony, głośniki itp.) posiada wbudowane filtry ograniczające pasmo. Są to skutecznie filtry dolnoprzepustowe, które zapobiegają wychwytywaniu lub reprodukcji częstotliwości poza zasięgiem ludzkiego słuchu. Istnieje więc techniczna różnica w zakresie częstotliwości między dźwiękiem analogowym i cyfrowym, ale nie praktyczna.
w rzeczywistości podstawową zaletą wyższych częstotliwości próbkowania w dźwięku cyfrowym nie jest w rzeczywistości większy zakres częstotliwości dla słuchacza, ale możliwość korzystania z różnych filtrów antyaliasingowych. Nie Zwiększa to skutecznie zakresu częstotliwości, ale zmniejsza artefakty spowodowane próbkowaniem. Wejdę głębiej w tę koncepcję w późniejszym poście.
poziom szumów
główną wadą analogowej technologii nagrywania dźwięku jest to, że ma znacznie wyższy poziom szumów w porównaniu z technologią cyfrową.
nawet najbardziej wysokiej jakości taśma analogowa zawiera szum magnetyczny. To jest przyczyna syczenia w nagraniach analogowych. Teoretyczny poziom szumów 24-bitowego zapisu cyfrowego to-144dB-efektywnie nieskończony.
pamiętaj, że poziom hałasu każdego systemu jest tak niski, jak poziom hałasu wszystkich jego komponentów. Oznacza to, że nawet systemy cyfrowe będą hałaśliwe, jeśli łańcuch sygnałowy zawiera hałaśliwe Elementy elektroniczne.
podatność& długowieczność
nie tylko nośniki analogowe, takie jak taśma i winyl, zawierają nieodłączny szum, ale są również wyjątkowo podatne na degradację w czasie. Nośniki cyfrowe, takie jak dyski twarde i płyty CD, są znacznie bardziej odporne.
wszystkie nośniki fizyczne, zarówno analogowe, jak i cyfrowe, ulegają degradacji w czasie. Pierwsze odtwarzanie nagrania jest najlepszym, jakie kiedykolwiek zabrzmi. Posłuchaj starych płyt winylowych, a stanie się to oczywiste.
Taśma Analogowa musi być zachowana w bardzo specyficznych warunkach, aby zapobiec utracie jakości w czasie. Płyty winylowe są uszkodzone za każdym razem, gdy są odtwarzane. Nośniki cyfrowe mogą również zostać uszkodzone, ale degradacji jest znacznie łatwiej zapobiec.
nagranie Cyfrowe to seria liczb, które można odtworzyć nieskończenie wiele razy z doskonałą precyzją, podczas gdy każda reprodukcja dźwięku analogowego dodaje do całkowitego szumu nagrania. Na przykład, jeśli przeniesiesz jedną taśmę na inną szpulę taśmy, zarejestrujesz szum z pierwszej szpuli na drugą szpulę.
przenośność i odtwarzalność
wreszcie cyfrowe nośniki audio są drastycznie bardziej przenośne i odtwarzalne niż nośniki analogowe. Nie tylko dyski twarde i pamięć flash są znacznie mniejsze i lżejsze niż rolki taśm i płyt winylowych, ale zapisane na nich cyfrowe Informacje mogą być wysyłane na całą planetę w ciągu kilku sekund za pomocą Internetu. Reprodukcja informacji cyfrowej jest praktycznie bez żadnych kosztów w porównaniu do reprodukcji mediów analogowych.
w tej sekcji, zamiast systemów nagrywania, zwrócę uwagę na różnice między analogowymi i cyfrowymi systemami wzmacniającymi i dystrybucyjnymi. Są to systemy stosowane w nagłośnieniu publicznym i koncertach na żywo.
analogowe systemy audio
analogowe systemy audio do wzmacniania i dystrybucji dźwięku nie wymagają technologii nagrywania.
sygnał akustyczny jest zamieniany na energię elektryczną za pomocą mikrofonu. Elektryczny sygnał audio jest przesyłany do przedwzmacniacza mikrofonowego, następnie do analogowych efektów audio i mikserów, a na końcu do wzmacniacza. Wzmocniony sygnał audio jest zamieniany z powrotem na energię akustyczną przez głośnik.
od początku do końca dowolnego analogowego łańcucha sygnałowego sygnał audio jest w formie akustycznej lub elektrycznej. Nie ma potrzeby przechowywania sygnału. Wszystko dzieje się w czasie rzeczywistym z prędkością prądu w przewodzie: około 75% prędkości światła.
Cyfrowe systemy audio do wzmacniania i dystrybucji dźwięku wymagają technologii nagrywania.
elektryczny sygnał audio jest konwertowany lub kwantyzowany do PCM (Pulse Code Modulation). Za każdym razem, gdy sygnał jest konwertowany z analogowo-cyfrowego lub cyfrowo-analogowego, następuje kwantyzacja. Oznacza to, że KAŻDY sygnał wysyłany do i z efektu cyfrowego za pomocą kabli analogowych jest konwertowany do PCM wewnątrz urządzenia, przetwarzany, a następnie konwertowany z powrotem na energię elektryczną. Wszystkie cyfrowe procesory audio, Miksery i wzmacniacze tworzą krótkie nagrania do przetwarzania sygnałów audio.
kluczowe różnice między analogowym i cyfrowym dźwiękiem: wzmocnienie i dystrybucja
opóźnienie
chociaż szybkość przetwarzania tych cyfrowych kwantyzacji jest niezwykle szybka, nadal są one znacznie wolniejsze niż energia elektryczna poruszająca się przez przewód. Ta cecha cyfrowych systemów audio ma negatywny wpływ na dodanie opóźnienia do sygnału. Opóźnienie to opóźnienie sygnału spowodowane przetwarzaniem.
wszystkie cyfrowe systemy audio dodają opóźnienie do łańcucha sygnału. Jednak skutki opóźnień zostały drastycznie zmniejszone, ponieważ technologia nadal się poprawia. Jedną z podstawowych wad dodawania opóźnień do systemu jest ryzyko destrukcyjnej interferencji fazowej. Jeśli sygnał przyjmuje dwie ścieżki, z których każda dodaje opóźnienie do sygnału w inny sposób, sygnały będą poza fazą i mogą powodować filtrowanie grzebieniowe lub echo. Opóźnienie może również stanowić nienaturalne doświadczenie monitorowania dla muzyków i innych talentów. Jeśli sygnał jest opóźniony, osoba mówiąca lub grająca na instrumencie może być zdezorientowana, ponieważ monitoruje się w słuchawkach. Z tego powodu zwykle najlepiej jest monitorować bezpośrednio przez analogowy łańcuch sygnału, Jeśli system cyfrowy dodaje zbyt duże opóźnienie do sygnału.
przenośność
podstawową wadą systemów analogowych jest ich waga i rozmiar. Nowoczesne cyfrowe Miksery audio zawierają w sobie korektory, Kompresory, Bramki i inne efekty dla każdego kanału. Systemy analogowe o tych samych możliwościach przetwarzania wymagałyby kilku stojaków i tysięcy funtów sprzętu.
znacznie łatwiej jest skonfigurować efekty cyfrowe w locie w konsoli cyfrowej, bez konieczności dodawania analogowych kabli do łatania. Jeśli inżynier miksu chciałby wypróbować inny efekt w połowie pokazu, musi po prostu nacisnąć kilka przycisków za pomocą systemu cyfrowego. Zmiana ta może wymagać przepatchowania systemu analogowego.
podczas gdy sprzęt analogowy zawiera ciężkie komponenty elektryczne, które tworzą korektory, sprężarki i efekty pogłosu, cyfrowe układy przetwarzania sygnałów oferują podobne narzędzia przy ułamku przestrzeni i wagi.
Podłoga szumów
gdy łączysz ze sobą coraz więcej efektów analogowych, szum elektroniczny z każdego urządzenia sumuje się razem. Korzystanie z większej ilości efektów cyfrowych nie dodaje szumu do sygnału, ponieważ sygnał nigdy nie opuszcza cyfrowego procesora sygnałowego. Obecny jest tylko nieodłączny szum jednego urządzenia, a nie nieodłączny szum wielu urządzeń.
debata trwa
prawdą jest, że zarówno analogowe, jak i cyfrowe systemy audio mają wartość we współczesnym świecie. Debata nad tym, co jest lepsze, a co gorsze, nigdy się nie skończy, ponieważ nie ma jasnej odpowiedzi.
istnieje milion aplikacji dla technologii audio, a każda z nich wymaga unikalnego zestawu sprzętu. Jako inżynier dźwięku, muzyk lub słuchacz, każdy z nas musi zdecydować się na zestaw sprzętu audio, który zaspokoi potrzeby każdej wyjątkowej sytuacji.