成豐主流線(xiàn) | 正確認識數字音頻和數字信號

　　在音頻、視頻、燈光、網(wǎng)絡(luò )各個(gè)系統中，數字信號已經(jīng)得到廣泛的應用，在視頻領(lǐng)域，模擬和數字信號的區別肉眼可見(jiàn)，模擬信號還停留在我們圖像分辨率低的過(guò)去記憶，數字信號現在已經(jīng)達到8K甚至10K，數字視頻信號帶來(lái)的巨大變化不容置疑。但是在音頻領(lǐng)域，模擬與數字音頻的爭論非常兩極分化。有人覺(jué)得數字音頻的音質(zhì)不如模擬信號，有人覺(jué)得數字音頻已經(jīng)是主流，這樣的認識是比較正確的。成豐主流線(xiàn)援引一篇討論模擬音頻和數字音頻的文章，并且用加粗字增加了評論，目的是為了幫助大家理解數字信號原理上的問(wèn)題。文章較長(cháng)，建議收藏后觀(guān)看。

　　模擬音頻和數字音頻的主要區別是什么？

　　模擬音頻解釋

　　讓我們先來(lái)看看最常見(jiàn)的模擬音頻存儲方式——磁帶和黑膠唱片。如果我們對這些儲存方式的工作原理有基本的了解，將會(huì )有所幫助。

　　磁帶是模擬音頻錄制和播放的最高質(zhì)量方法。膠帶機的工作原理如下：當電流通過(guò)電線(xiàn)時(shí)，電線(xiàn)周?chē)鷷?huì )形成磁場(chǎng)，反之亦然。

　　磁帶機允許我們從麥克風(fēng)中獲取交流電波，并將它們作為電荷存儲在磁帶上。當您通過(guò)磁帶機播放磁化磁帶時(shí)，它會(huì )轉換回可以通過(guò)揚聲器播放的電流。

　　為了錄制音頻，磁帶機通過(guò)圍繞磁鐵的盤(pán)繞線(xiàn)發(fā)送電子音頻信號，該磁鐵緊靠磁帶。圍繞磁鐵的這個(gè)線(xiàn)圈稱(chēng)為記錄頭。

　　當磁帶通過(guò)記錄磁頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，磁帶上的粒子會(huì )帶上磁性。磁帶上的磁荷模式類(lèi)似于通過(guò)線(xiàn)圈發(fā)送的音頻信號。

　　音頻信號的幅度與磁帶上產(chǎn)生的磁荷的大小相關(guān)。

　　要播放音頻，過(guò)程是相反的。磁化磁帶在播放頭上產(chǎn)生電流，該電流連接到通過(guò)揚聲器播放的放大器。

　　有各種類(lèi)型的磁帶和磁帶機會(huì )影響錄制音頻的質(zhì)量。兩個(gè)主要變量是磁帶速度和磁帶寬度。

　　磁帶速度

　　磁帶通過(guò)記錄磁頭的速度會(huì )影響記錄的質(zhì)量。更快的磁帶速度會(huì )產(chǎn)生具有更大頻率響應、更少嘶嘶聲和更短丟失的錄音。

　　磁帶機速度以英寸/秒 (ips) 為單位。常見(jiàn)的磁帶機速度為 7-½ ips、15 ips 和 30 ips。專(zhuān)業(yè)錄音的標準是 15 ips。

　　膠帶寬度

　　磁帶的寬度也會(huì )影響錄音的質(zhì)量。較寬的磁帶可實(shí)現更高質(zhì)量的錄音。

　　但是，磁帶寬度可用于記錄更多軌道，而不是提高單個(gè)軌道的音頻質(zhì)量。這允許獨立錄制和播放多個(gè)源。

　　乙烯基塑料

　　黑膠唱片是模擬錄音的標準消費媒介。為了大規模分發(fā)音頻，可以將錄音從模擬磁帶復制到黑膠唱片上。

　　雖然黑膠的音質(zhì)不如原裝磁帶，但黑膠更容易量產(chǎn)，占用空間更小，更耐用。

　　與磁帶相比，黑膠唱片不易受這些元素的影響。磁帶會(huì )因磁暴露而損壞，而黑膠唱片則不受磁場(chǎng)影響，因為它們使用不同的音頻存儲方式。

　　黑膠唱片表面的紋理凹槽不是磁荷，而是存儲音頻信息。

　　當黑膠唱片以特定速度旋轉時(shí)，觸控筆會(huì )穿過(guò)其表面的凹槽。當觸控筆隨著(zhù)凹槽來(lái)回移動(dòng)時(shí)，它會(huì )在連接到放大器的導線(xiàn)中產(chǎn)生電流，以通過(guò)揚聲器播放。音頻信號的幅度與觸控筆移動(dòng)的強度相關(guān)。

　　從原理上來(lái)說(shuō)，自然界中的聲波是通過(guò)介質(zhì)的一系列振動(dòng)，我們需要用一種方式來(lái)存儲，并且通過(guò)音頻系統來(lái)傳輸，回放這些音頻信號，音頻信號是由各個(gè)不同頻率的正弦波電信號來(lái)轉換聲波進(jìn)行電傳輸，這個(gè)信號在模擬系統中傳輸，就是模擬音頻信號，例如麥克風(fēng)是將聲音信號轉換為模擬電信號的模擬音頻設備，前置放大器、功率放大器和揚聲器也都是模擬設備。但是模擬音頻信號在傳輸過(guò)程中，非常容易受到外界的干擾。

　　數字音頻解釋

　　當然，大多數現代音樂(lè )都是使用數字技術(shù)錄制的。讓我們看一下數字音頻的基本原理，以便我們更好地了解它與模擬的比較。

　　PCM，即脈沖編碼調制，是將音頻信號編碼為二進(jìn)制信息的標準方法。

　　在模擬音頻記錄中，使用磁荷創(chuàng )建聲波模型。然而，PCM 通過(guò)存儲一系列數值來(lái)創(chuàng )建聲波模型，這些數值表示沿波的各個(gè)點(diǎn)的振幅。

　　這些值由稱(chēng)為樣本的二進(jìn)制位組表示。每個(gè)樣本代表可能值的預定范圍內的一個(gè)數值。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為量化，由模數轉換器(A-to-D 轉換器)執行。

　　在播放數字錄音期間，樣本被轉換回電信號并發(fā)送到揚聲器。該過(guò)程由數模轉換器(數模轉換器或 DAC)執行。

　　以下是如何使用數字樣本存儲音頻波的簡(jiǎn)化說(shuō)明：

　　位深（bit）

　　每個(gè)樣本代表一個(gè)可能值范圍內的一個(gè)值?？赡苤档姆秶晌簧疃葲Q定。位深度是描述每個(gè)樣本中包含多少位的術(shù)語(yǔ)。

　　每個(gè)位可以代表兩個(gè)可能的值。每個(gè)樣本使用更多比特的記錄可以代表更大范圍的值，并且比比特深度較小的記錄具有更低的本底噪聲。這個(gè)不同意，數字音頻信號不含有噪聲，除非原信號已經(jīng)有噪聲。

　　每添加一個(gè)位，可能值的數量就會(huì )增加一倍。一位可以表示兩個(gè)值，兩位可以表示四個(gè)值，三位可以表示八個(gè)值，依此類(lèi)推。

　　CD 的標準位深度是 16 位，允許 64,536 個(gè)可能的幅度值。專(zhuān)業(yè)標準是 24 位的位深度，它允許 16,777,216 個(gè)可能的幅度值!大多數專(zhuān)業(yè)工作室使用 32 位浮點(diǎn)進(jìn)行錄音和混音。

　　采樣率

　　采樣率決定了每秒對聲波進(jìn)行多少采樣。采樣率以赫茲 (Hz) 為單位。以更高的采樣率記錄可以記錄更高的頻率，直白來(lái)說(shuō)，采樣率就是在原正弦波形上取多少點(diǎn)，想象一下，如果用趨近于無(wú)窮多的點(diǎn)，就能非常接近原音頻信號了。

　　奈奎斯特定理指出，數字采樣只能忠實(shí)地表示小于采樣率一半的頻率。這意味著(zhù)如果要捕獲 20kHz(人類(lèi)可聽(tīng)到的最高頻率)，則必須使用大于 40kHz 的采樣率。

　　因此，44.1kHz 是 CD 的標準采樣率。用于視頻的專(zhuān)業(yè)音頻使用 48kHz 標準。許多錄音大大超過(guò)了這些標準，采樣率為 96kHz 及以上!

　　雖然更高采樣率的好處通常被理解為記錄頻率范圍的擴展，但這并不是主要好處。

　　數字音頻數據壓縮格式

　　錄音室制作的音頻文件非常大，因為它們包含的信息量很大。如果以 24 位的位深度和 96kHz 的采樣率錄制一首 3 分鐘的歌曲，則文件大小約為 52MB。

　　在互聯(lián)網(wǎng)和 iPod 等便攜式音樂(lè )播放器的早期，完整的未壓縮 PCM 數據太大而無(wú)法通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)流式傳輸或存儲在小型硬盤(pán)上。

　　數據壓縮是一種減小文件大小的方法。數據壓縮格式有兩大類(lèi)，有損和無(wú)損。

　　有損數據壓縮格式 (MP3 & AAC)

　　不幸的是，消費類(lèi)音頻中使用最廣泛的數據壓縮格式是有損的。這意味著(zhù)，盡管使用了特殊算法來(lái)減少負面影響，但在壓縮文件的過(guò)程中數據會(huì )丟失。

　　一旦數據丟失，就永遠無(wú)法恢復。

　　最常見(jiàn)的有損音頻數據壓縮格式是 MP3、AAC 和 Ogg Vorbis。這些格式用于存儲許多硬盤(pán)空間有限的文件或通過(guò)有限帶寬的互聯(lián)網(wǎng)連接傳輸內容。

　　這些格式背后的專(zhuān)有算法旨在根據人類(lèi)對聲音的感知模型對內容進(jìn)行優(yōu)先級排序，并銷(xiāo)毀低優(yōu)先級的內容。

　　無(wú)損數據壓縮格式 (FLAC & AIFF)

　　如果在壓縮數據的過(guò)程中沒(méi)有丟失任何信息，則所使用的壓縮格式是無(wú)損的。 使用這些格式，信息可以被編碼成一個(gè)較小的文件，然后再解碼，最終將原始 PCM 信息恢復為 WAV 文件。

　　盡管與未壓縮文件相比，這些格式確實(shí)節省了一些空間，但它們與有損格式的效率相去甚遠。目前，我們開(kāi)始看到流媒體平臺提供無(wú)損音頻流，這意味著(zhù)與原始未壓縮版本相比沒(méi)有質(zhì)量損失。然而，在過(guò)去的幾十年里，大多數平臺只提供有損音頻，這會(huì )大大降低音質(zhì)。這給數字音頻帶來(lái)了壞名聲。這是采樣率太少導致，正因為數據量太大，所以現在的數字信號技術(shù)和傳輸方式還不能做到無(wú)壓縮的傳輸。

　　模擬與數字音頻：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　如您所見(jiàn)，模擬和數字錄音技術(shù)有一個(gè)共同目標——創(chuàng )建一個(gè)可以盡可能準確地回放的聲學(xué)波形模型。每種技術(shù)都很好地實(shí)現了這一目標。

　　使用一種方法獲得的音頻質(zhì)量不一定比另一種更好，只是不同而已。本節將探討每種方法的獨特之處。

　　在決定哪種格式更適合手頭的任務(wù)時(shí)，我們需要考慮一些細節。

　　噪音

　　模擬音頻和數字音頻之間的最大區別之一是噪音水平。如果您是音頻愛(ài)好者，您可能熟悉本底噪聲和信噪比的概念。其實(shí)從數字技術(shù)基本原理來(lái)講，數字01碼本身并不產(chǎn)生噪聲，只是原信號本身的噪聲。

　　在音頻信號之下，無(wú)論是音樂(lè )、音效還是口語(yǔ)，都有噪音。這種噪音可能來(lái)自錄音環(huán)境、系統問(wèn)題、附近的電子設備或許多其他來(lái)源。

　　即使你消除了房間里的所有噪音，你仍然會(huì )留下來(lái)自記錄媒體的固有噪音。

　　理想情況下，我們希望信噪比盡可能大。這是模擬音頻真正不如數字音頻的地方。數字技術(shù)本身不產(chǎn)生噪聲。

　　模擬磁帶和黑膠唱片的固有噪聲明顯大于典型數字音頻系統的固有噪聲。我敢肯定你聽(tīng)過(guò)舊唱片上的磁帶嘶嘶聲或舊黑膠唱片的咔噠聲。

　　這可以為聆聽(tīng)體驗增添懷舊元素。但是說(shuō)實(shí)話(huà)，如果完全沒(méi)有噪音不是更好嗎?

　　數字音頻有一個(gè)本底噪聲，但它非常低。24 位數字錄音的理論本底噪聲為 -144 dBFS，這實(shí)際上是不存在的。

　　談到噪音，毫無(wú)疑問(wèn)——數字獲勝。

　　保真度

　　其次，讓我們比較模擬和數字音頻之間的信號保真度。

　　我們首先需要定義“保真度”。根據牛津語(yǔ)言，保真度可以定義為“復制或復制某物的準確程度”。

　　所以這里的問(wèn)題是“哪種格式可以捕獲、存儲和再現原始輸入信號的最準確表示?”。

　　關(guān)于為什么模擬音頻比數字音頻更好，我聽(tīng)過(guò)很多理由。隨著(zhù)時(shí)間的推移，我了解到大多數這些理由都是基于對數字音頻工作原理的誤解。

　　最常見(jiàn)的誤解之一與數字音頻波形的分辨率有關(guān)。事實(shí)上，我自己曾經(jīng)也相信這一點(diǎn)。

　　誤解是模數轉換器無(wú)法捕獲完全準確的波形。乍一看，這種信念背后的邏輯似乎是有效的……

　　“如果數字音頻系統每秒只拍攝有限數量的快照(或樣本)，并且每個(gè)樣本只能代表有限數量的值，它怎么可能創(chuàng )造出像原始聲波一樣的無(wú)限平滑波形?”

　　為了理解答案，我們可以看看奈奎斯特定理。我已經(jīng)在上面提到了奈奎斯特定理，但讓我們再看看。

　　奈奎斯特定理指出，只要波形的采樣率超過(guò)每個(gè)周期兩次，就可以毫無(wú)損失地捕獲和再現波形。因此，音頻文件的采樣率決定了可以無(wú)損采樣的最高頻率。

　　理論上，具有 48kHz 采樣率的音頻文件能夠完美地錄制和再現高達(略低于)24kHz 的頻率——采樣率的一半。

　　鑒于麥克風(fēng)和其他音頻設備中的人類(lèi)聽(tīng)力和低通濾波器的范圍通常最高約為 20kHz，我們可以肯定地說(shuō) 48kHz 的采樣率提供了足夠的頻率范圍。通過(guò)數模轉換器回放的波形將與模數轉換器記錄的原始波形相同。

　　值得一提的是，數字音頻還有另一個(gè)缺點(diǎn)，稱(chēng)為混疊。它也與奈奎斯特定理有關(guān)。

　　如果模數轉換器試圖對超過(guò)奈奎斯特頻率的頻率進(jìn)行采樣，則會(huì )導致混疊。

　　在基本層面上，混疊描述了由于采樣率限制，模數轉換器將高頻與低得多的頻率混淆的情況。

　　為了緩解這個(gè)問(wèn)題，工程師將對信號鏈應用低通濾波器，以防止超過(guò)奈奎斯特頻率的頻率被系統量化。

　　出于這個(gè)原因，我們不使用 40kHz 的采樣率來(lái)捕獲 20kHz 的信號，而是使用 48kHz、96kHz 或更高的采樣率。這為低通濾波器提供了空間來(lái)去除無(wú)關(guān)頻率，而不會(huì )對可聽(tīng)頻率范圍產(chǎn)生負面影響。

　　諧波失真和非線(xiàn)性

　　除了噪音，模擬音頻與數字音頻的信號保真度似乎非常接近。但是，對許多人來(lái)說(shuō)，是什么讓模擬聽(tīng)起來(lái)“更溫暖”或“更好”呢?

　　它可能歸結為使用模擬設備帶來(lái)的失真和噪音。

　　正如我們已經(jīng)討論過(guò)的，每次將信號從一個(gè)設備傳遞到另一個(gè)設備時(shí)，每個(gè)設備的固有噪聲都會(huì )成為信號的一部分。不僅如此，模擬電路還會(huì )給信號增加諧波失真，這并不總是一件壞事。這個(gè)非常有意思，完全還原并不是最好。 這就保真度而言，這是數字音頻的另一個(gè)勝利，因為信號可以通過(guò)數字信號處理進(jìn)行處理，而不會(huì )真正受到通過(guò)模擬處理獲得的噪聲和諧波失真的影響。因此，如果您要追求透明度，透明度就像更溫暖一樣，無(wú)法量化衡量，這里應該是指完全“還原”原信號，數字信號則可以量化比較，數字音頻優(yōu)于模擬音頻。

　　但正如我之前所說(shuō)，與模擬音頻相關(guān)的諧波失真不一定是壞事。有時(shí)您不希望獲得透明的聲音，而模擬設備為信號著(zhù)色的方式可能是可取的。

　　過(guò)載模擬系統或飽和模擬磁帶聽(tīng)起來(lái)很棒!模擬設備在過(guò)載時(shí)往往聽(tīng)起來(lái)更具音樂(lè )性和有機性。

　　當您接近模擬電路或磁帶的極限時(shí)，信號的質(zhì)量將開(kāi)始發(fā)生變化。這種對信號的非線(xiàn)性響應可以由數字系統建模，但內置于模擬系統中。

　　無(wú)論信號電平與限制相關(guān)的位置如何，數字系統都將表現相同，直到信號實(shí)際超過(guò)這些限制。當數字系統中的信號電平超過(guò) 0 dBFS 時(shí)，會(huì )立即導致削波，這在 99% 的情況下聽(tīng)起來(lái)很糟糕。

　　我將把這個(gè)細節歸類(lèi)為數字和模擬的勝利。一方面，在線(xiàn)性和透明的數字環(huán)境中工作以實(shí)現最佳保真度是件好事。另一方面，您可以在模擬領(lǐng)域通過(guò)熟練的增益結構獲得的音調也很棒。所以完全“還原”后你可以使用你的設備來(lái)修飾你的聲音，以達到你“喜歡”的效果。

　　制作與編輯

　　雖然我們討論的是模擬音頻和數字音頻在制作過(guò)程中的差異，但還是有一些值得考慮的事情。

　　在模擬中信號被存儲到磁帶上并使用磁帶機播放。數字信號存儲到硬盤(pán)驅動(dòng)器并使用計算機播放。

　　除了基本的錄音和播放過(guò)程之外，模擬音樂(lè )制作和數字音樂(lè )制作之間還有很多區別。

　　最大的區別之一是編輯過(guò)程。在這里仔細聽(tīng)，因為在編輯方面不能夸大數字音頻的好處!

　　在數字音頻工作站(或 DAW)中，我們可以對剪輯的長(cháng)度進(jìn)行剪輯和調整，而不必擔心犯下不可逆轉的錯誤。在非破壞性數字編輯環(huán)境中，我們總是可以只按“撤消”按鈕，然后回到我們離開(kāi)的地方。

　　必須使用剃須刀片和膠帶進(jìn)行模擬編輯，以物理切割膠帶并重新組裝。與使用 DAW 不同，模擬磁帶編輯器必須完全依靠他們的耳朵來(lái)知道應該在哪里進(jìn)行剪輯，并且他們必須創(chuàng )建對角線(xiàn)剪輯以實(shí)現兩個(gè)剪輯之間的交叉淡入淡出。

　　任何使用過(guò)模擬磁帶的人都可能發(fā)現自己處于一種不幸的境地，即磁帶從卷軸上解開(kāi)，接下來(lái)的一個(gè)小時(shí)都在小心翼翼地倒帶。

　　如果您在模擬編輯中搞砸了，可能沒(méi)有辦法挽救您的工作。

　　不僅如此，數字制作中可以堆疊的軌道數量幾乎沒(méi)有限制，而大多數多軌模擬磁帶最多只有 24 個(gè)軌道。

　　這些技術(shù)進(jìn)步不僅徹底改變了音樂(lè )制作，而且徹底改變了音樂(lè )本身!想一想——能夠對多軌錄音進(jìn)行精確編輯，并根據需要錄制盡可能多的鏡頭，而不會(huì )產(chǎn)生負面影響。這些好處為使用數字音頻進(jìn)行更精細和精美的錄音打開(kāi)了大門(mén)。

　　便攜性和耐用性

　　一旦制作過(guò)程完成，我們仍然需要一種將制作分發(fā)給數百萬(wàn)聽(tīng)眾的方法。這很容易成為模擬音頻和數字音頻之間的最大區別。

　　分發(fā)模擬音頻的最佳方法是黑膠唱片。磁帶體積龐大，而且更難復制和維護。然而，乙烯基也有其缺點(diǎn)。

　　首先，黑膠唱片是一種物理介質(zhì)，這意味著(zhù)每個(gè)副本的制作成本都很高，并且需要物理地運送給聽(tīng)眾。

　　其次，乙烯基會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而變化。不僅在母帶打印到黑膠唱片時(shí)會(huì )出現質(zhì)量損失，而且每次您聽(tīng)黑膠唱片時(shí)，質(zhì)量都會(huì )進(jìn)一步下降。

　　今天，數字音頻可以在互聯(lián)網(wǎng)上毫無(wú)損失地傳輸。您可以立即在世界各地分發(fā)無(wú)限副本，而不會(huì )造成質(zhì)量損失。 所以這也是數字信號準確性。

　　不僅如此，音頻文件還可以一次又一次地收聽(tīng)，而不會(huì )造成質(zhì)量損失或損壞。

　　此外，與乙烯基相比，數字文件占用的空間非常小。當您比較在黑膠唱片上存儲 1000 首歌曲和在硬盤(pán)上存儲 1000 首歌曲所需的空間時(shí)，這毫無(wú)爭議。

　　當然在信號的傳輸過(guò)程，數字信號因為各種因素會(huì )產(chǎn)生誤碼，排除誤碼是傳輸數字信號要改進(jìn)的地方。

　　“時(shí)間”和“空間”是數字技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，不同的編碼方式?jīng)Q定了“空間”--儲存量，“時(shí)間”--傳輸速率，音視頻行業(yè)從業(yè)人員要從原理上了解數字信號和模擬信號的區別，才能不被一些表象誤導。

　　*部分內容摘自Analog vs Digital Audio: Which Is Better?https://audiouniversityonline.com/analog-vs-digital-audio/