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【Hybrid音频基础】数字比特与动态的关系
更新时间:2019-9-2 14:37:11 编辑:温情 文章来源:www.bblaudio.com 调整文字大小:【

  从模拟到数字的高保真信号转换,我们只有一次机会,这一步错,可以说是步步错。这也是使用bblaudio的Hybrid系统工作方式的关键一步。这虽然是一篇非常基础的技术文章,因为比特精度和动态相关,牵连在Hybrid工作方式中的summing动态及母带处理的信噪比,信噪比越高,高频细节就越清晰。
  bblaudio所有产品的设计中,我们非常重视本底噪音的控制,并具有优秀的信噪比。因此你最需要关心的是变成数字信号的关键技术环节,这样才能更好的使用bblaudio产品,制作出更优秀的声音,所以建议你耐心阅读。
  由于数字信号的工作过程非常复杂,我们是应用领域,而非专业音频研发部门,因此我尽量通过简单的图形化,深入浅出,以方便你理解和应用。

  关于32bit浮点,将在后期的【Hybrid音频基础】中继续讲解,其主要应用在STEM分组母带处理。敬请关注bblaudio的公众号。
  使用ProTools,Cubase等录音软件,在新建工程窗口都会让你选择16bit还是24bit,那bit是什么?怎么选?咱们就先从1bit开始讲吧。

  1bit是2个状态,分别是0和1,为方便理解我们简化ADDA的原理,因为实际上要比图示复杂很多。更通俗一些理解就是,把波形振幅简化成围绕着0的位置来波动,依据PCM的采样原理,我们使用偏置电压为+2.5v和-2.5v进行讲解,从图中可以得知,在1bit中,动态被量化只有2种结果:+2.5v和-2.5v,因此蓝色的模拟正弦波被1bit数字量化转换成了方波。这种量化误差造成的失真,我们称之为量化失真。

  2bit是4个状态,分别是00、01、10和11,因此2bit的量化结果要比1bit多出2个电压+1.25v和-1.25v,从图像分析我们可以得知,虽然它的量化结果也还是和原波形存在量化失真,但是情况很明显比1bit好。所谓量化就是四舍五入的方式,比如-1.1v的电压,在2bit中被记录成了1.25v,因此失真了。

  3bit是8个状态,因此3bit的量化结果要比2bit多出4个电压+0.625、+1.875v、-0.625和-1.875v,虽然和原波形依旧存在量化失真,但是情况越来越好。
  从这3个图形的量化结果,我们关注一下最靠近0v的量化失真,我们就发现,bit精度越高,波形的起始位置就越靠近0v。如2bit它的最小是±1.25v,3bit是±0.625v了,我们将其称之为量化噪音。
  因此你无需计算就可以得知24bit的量化失真要比16bit优秀,所以要优先选择24bit进行录音。
  (如果你是在录音,请不要选择32bit 浮点,后期我们会继续讲怎么选32bit 浮点。)

  (本底噪音)

  不论是数字噪音,还是模拟噪音,我们要通过合成波形才能更好的理解为何噪音越低越好。波形合成之后,噪音是附和在更大信号上的,它跟“寄生虫”一样,噪音的存在会影响高频的清晰度。如下图:

  当然也有人提出来我们最终导出的音频文件还是16bit/44.1kHz,甚至是mp3,有没有必要使用24bit呢?从磁盘价格及CPU的速度,选择24bit已经不是有压力的事情,所以这个答案是有必要选择24bit的。因为在音乐制作的过程中需要进行后期处理,处理虽然可以美化声音,但是某种意义来说不好的声音处理会出现严重失真,在处理过程中24bit失真一定会比16bit少很多。
  生活中你应该能感受到,一部使用8k拍摄的电影,和一部使用2k拍摄的电影,虽然最终都压缩成1080p的文件,但是你能明显的感觉到8k的拍摄画面清晰、逼真。其中的原理和音频是一样的。也就是说,虽然最终都压缩成mp3,但是使用24bit,再结合Hybrid的工作方式,也能让同样是mp3文件更优秀。我在网络上找到了一张对比图片:

  你也许会有这样的疑问,24bit=144dB的动态,16bit=96dB动态,他们比磁带机录音机的动态70dB还高出20dB呀?为什么老说模拟信号比数字好呢?
  要理解这个问题,我们不能只看70dB和144dB这个数字,也许是长期的口口相传和传播方式的不严谨,对于没有受过专业学习的音乐人造成了一定的误解(也不必担心)。当然,我们现在不太可能使用磁带录音了,但是并不意味着我们就不能制作出比磁带录音更优秀的作品。因此运用好数字音频的技术要领,和模拟周边结合的Hybrid工作方式,至关重要。
  24bit的144dB,并非说24bit比16bit的动态响度大48dB,这是由于套用log的公式计算的数字表达方式而已,数字动态的公式:20lg(倍数)=(dB数)dB,16bit的dB数=65536个,套用公式计算的结果约等于96dB。这96dB是记录一个模拟信号动态被切割成了65536个点,144dB表示动态被切割成了16,777,216个点。


  从最上面的1bit、2bit、3bit量化图可以知道,不管是多少bit,量化波形的正半周和负半周的最高电压是不是都是±2.5v?所以响度并没有发生变化。所以16bit和24bit就好比一把厘米的尺子和毫米的尺子的不同,如下图:

  磁带模拟动态范围约70dB,准确来说应叫信噪比,是不包含本底噪音的,它的计算公式是20Lg(Vs/Vn),所以Vs和Vn的比值的数字没有16bit大,计算的结果自然也没有数字动态范围大。虽然都以dB为单位,但是他们之间是不能直接比较的。因为不论是使用24bit还是16bit,都能将磁带信号的最小(本底噪)和最高峰值信号记录下来。模拟信号一旦变成数字信号,就一定存在量化失真,这就是为何在文章的开始提到我们只有一次机会。所以模拟信号和数字信号的质的区别是:
  模拟信号是一条连续的线,数字信号是点,数字信号的处理是点的处理,模拟信号的处理是线的处理。数字信号动态范围表示的是动态变化的级数,类似阶梯。模拟信号是滑梯。


  为了获得更好的数字信号的信噪比,除了选择24bit录音外,还有非常关键的是要录到尽量大的数字信号。那样高频的细节会更好。你可以点击查看另一篇【Hybrid】你的高频去哪了?

更多相关: Hybrid音频基础
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