Porovnání analogového a digitálního záznamu - Comparison of analog and digital recording

Zvuk může být zaznamenáno a uloženy a přehrávány pomocí obou digitální nebo analogový techniky. Obě techniky zavádějí chyby a zkreslení zvuku a tyto metody lze systematicky porovnávat. Hudebníci a posluchači se hádali o nadřazenost digitálních a analogových zvukových záznamů. Argumenty pro analogové systémy zahrnují absenci základních mechanismů chyb, které jsou přítomny v digitálních zvukových systémech, včetně aliasing a kvantovací šum.[1] Zastánci digitálního signálu poukazují na vysokou možnou úroveň výkonu digitálního zvuku, včetně vynikající linearity ve slyšitelném pásmu a nízké úrovně šumu a zkreslení.[2]:7

Dva výrazné rozdíly ve výkonu mezi těmito dvěma metodami jsou: šířka pásma a odstup signálu od šumu (S / N). Šířka pásma digitálního systému je určena podle Nyquistova frekvence tím, že vzorkovací frekvence použitý. Šířka pásma analogového systému závisí na fyzických schopnostech analogových obvodů. S / N digitálního systému může být omezeno bitová hloubka procesu digitalizace, ale elektronická implementace konverzních obvodů přináší další šum. V analogovém systému existují i ​​jiné přirozené zdroje analogového šumu, například blikání a nedokonalosti záznamového média. Další rozdíly ve výkonu jsou specifické pro srovnávané systémy, například schopnost transparentnější filtrační algoritmy v digitálních systémech[3] a harmonická sytost a variace rychlosti analogových systémů.

Dynamický rozsah

The dynamický rozsah audio systému je měřítkem rozdílu mezi nejmenší a největší hodnotou amplitudy, kterou lze na médiu zobrazit. Digitální a analogové se liší jak v metodách přenosu a ukládání, tak v chování, které systémy způsobují díky těmto metodám.

Dynamický rozsah digitálních zvukových systémů může překročit dynamický rozsah analogových zvukových systémů. Spotřebitelský analog kazeta pásky mají dynamický rozsah 60 až 70 dB. Analogový FM vysílání málokdy mají dynamický rozsah přesahující 50 dB.[4] Dynamický rozsah přímého řezu gramofonová deska může překročit 70 dB. Analogové studiové master pásky mohou mít dynamický rozsah až 77 dB.[5] Teoretická LP vytvořená z dokonalého diamant má velikost atomového prvku asi 0,5 nanometr, který s velikostí drážky 8 mikron, poskytuje dynamický rozsah 110 dB, zatímco u teoretického vinylového LP se očekává, že bude mít dynamický rozsah 70 dB,[6] s měřeními indikujícími výkon v rozsahu 60 až 70 dB.[7] 16bitový analogově-digitální převodník může mít obvykle dynamický rozsah mezi 90 a 95 dB,[8]:132 vzhledem k tomu, že poměr signálu k šumu (zhruba ekvivalent dynamického rozsahu, upozorňující na absenci kvantovacího šumu, ale přítomnost syčení pásky) profesionála naviják na naviják 1/4 palcový magnetofon by měl být mezi 60 a 70 dB při jmenovitém výkonu rekordéru.[8]:111

Na 16 bitů zvukového CD lze uplatnit výhody používání digitálních rekordérů s přesností 16 bitů. Stuart zdůrazňuje, že se správným rozkladem je rozlišení digitálního systému teoreticky nekonečné a že je například možné rozlišit zvuky při -110 dB (pod digitálním plným rozsahem) v dobře navrženém 16bitovém kanálu.[9]:3

Podmínky přetížení

Existují určité rozdíly v chování analogových a digitálních systémů, pokud jsou k dispozici signály na vysoké úrovni, přičemž existuje možnost, že by tyto signály mohly systém přetížit. S vysokými signály se blíží analogová magnetická páska nasycení a vysokofrekvenční odezva klesá úměrně nízkofrekvenční odezvě. I když je to nežádoucí, může být slyšitelný účinek přiměřeně nezávadný.[10] Naproti tomu digitální rekordéry PCM vykazují nezávadné chování při přetížení;[11]:65 vzorky, které přesahují špičkovou kvantizační úroveň, jsou jednoduše zkráceny a oříznou tvar vlny, což přináší zkreslení ve formě velkého množství vysokofrekvenčních harmonických. V zásadě mají digitální systémy PCM nejnižší úroveň nelineárního zkreslení při plné amplitudě signálu. Opak je obvykle pravdou analogových systémů, kde zkreslení má tendenci se zvyšovat při vysokých úrovních signálu. Studie Mansona (1980) uvažovala o požadavcích digitálního audio systému na vysoce kvalitní vysílání. Dospěl k závěru, že 16bitový systém by byl dostatečný, ale zaznamenal malou rezervu, kterou systém poskytoval za běžných provozních podmínek. Z tohoto důvodu bylo navrženo, aby rychle působící signál omezovač nebo 'měkký strojek 'slouží k zabránění přetížení systému.[12]

U mnoha záznamů mohou být vysoké úrovně zkreslení při špičkách signálu slyšitelně maskovány původním signálem, takže při špičkových úrovních signálu může být přijatelné velké množství zkreslení. Rozdíl mezi analogovými a digitálními systémy je forma chyby signálu na vysoké úrovni. Některé časné analogově-digitální převodníky vykazovaly neškodné chování při přetížení, kde byly přetížené signály „zabaleny“ z pozitivního do negativního rozsahu. Moderní návrhy převaděčů založené na modulaci sigma-delta mohou být v podmínkách přetížení nestabilní. Obvykle je cílem návrhu digitálních systémů omezit signály na vysoké úrovni, aby se zabránilo přetížení.[11]:65 Aby se zabránilo přetížení, může moderní digitální systém komprimovat vstupní signály, takže nelze dosáhnout digitálního plného rozsahu[13]:4

Fyzická degradace

Na rozdíl od analogové duplikace jsou digitální kopie přesnou replikou, kterou lze duplikovat neomezeně a bez ní generační ztráta, v zásadě. Oprava chyby umožňuje digitálním formátům tolerovat výrazné poškození médií, i když digitální média nejsou imunní vůči ztrátě dat. Spotřebitel CD-R kompaktní disky mají omezenou a proměnlivou životnost kvůli inherentním problémům s kvalitou výroby.[14]

U vinylových desek dojde ke ztrátě věrnosti při každém přehrávání disku. To je způsobeno opotřebením stylusu v kontaktu s povrchem záznamu. Magnetické pásky, analogové i digitální, se opotřebovávají třením mezi páskou a hlavami, vodítky a dalšími částmi transport pásky jak se po nich páska klouže. Hnědý zbytek usazený na tampónech během čištění dráhy pásky je vlastně částice magnetického povlaku, které se uvolňují z pásek. Syndrom lepkavé boudy je běžným problémem se staršími páskami. Pásky mohou také trpět pokrčením, roztažením a vybroušením okrajů základny plastové pásky, zejména z nekvalitních nebo nevyrovnaných páskových balíčků.

Při přehrávání disku CD nedochází k žádnému fyzickému kontaktu, protože data jsou čtena opticky pomocí laserového paprsku. Proto nedochází k takovému zhoršení kvality média a disk CD bude při správné péči znít při každém přehrávání přesně stejně (bez ohledu na stárnutí přehrávače a samotného disku CD); jedná se však o výhodu optického systému, nikoli o digitální záznam, a formát Laserdisc má stejnou bezkontaktní výhodu jako analogové optické signály. CD trpí hniloba disku a pomalu se časem zhoršují, i když jsou správně uloženy a nejsou přehrávány.[15] M-DISC, zapisovatelná optická technologie, která se prodává jako čitelná po dobu 1 000 let, je k dispozici na některých trzích, ale ke konci roku 2020 nebyla nikdy CD-R formát. (Zvuk však lze uložit na disk M-DISC DVD-R za použití DVD-Audio formát.)

Hluk

U elektronických zvukových signálů zahrnují zdroje hluku v cyklu záznamu a přehrávání mechanický, elektrický a tepelný šum. Lze kvantifikovat množství šumu, které audio zařízení přidává k původnímu signálu. Matematicky to lze vyjádřit pomocí odstup signálu od šumu (SNR nebo S / N). Někdy je místo toho uveden maximální možný dynamický rozsah systému.

U digitálních systémů závisí kvalita reprodukce na krocích analogově-digitálního a digitálně-analogového převodu a nezávisí na kvalitě záznamového média, pokud je dostatečné uchovat digitální hodnoty bez chyb. Digitální média schopná bitově dokonalého ukládání a načítání jsou již nějakou dobu běžná, protože byla obecně vyvinuta pro softwarové úložiště, které nemá žádnou toleranci vůči chybám.

Proces analogově-číslicového převodu podle teorie vždy zavede zkreslení kvantování. Toto zkreslení lze pomocí použití provést jako nekorelovaný kvantovací šum váhat. Velikost tohoto šumu nebo zkreslení je určena počtem úrovní kvantování. V binárních systémech je to určeno a obvykle uvedeno ve smyslu počet bitů. Každý další bit přidává přibližně 6 dB v možném SNR, např. 24 x 6 = 144 dB pro 24bitovou kvantizaci, 126 dB pro 21bitovou a 120 dB pro 20bitovou. 16bitový digitální systém Červená kniha audio CD má 216= 65 536 možných amplitud signálu, teoreticky umožňující SNR 98dB.[2]:49

Rachot

Rachot je forma šumu charakteristického způsobeného nedokonalostmi v ložiska gramofonů má talíř tendenci mít kromě požadovaného otáčení mírný pohyb - povrch gramofonu se také pohybuje nahoru a dolů a mírně ze strany na stranu. Tento další pohyb se přidává k požadovanému signálu jako šum, obvykle velmi nízkých frekvencí, což vytváří tichý zvuk během tichých pasáží. Někdy se používají velmi levné gramofony kuličková ložiska u kterých je velmi pravděpodobné, že způsobí slyšitelné množství rachotu. Dražší gramofony mají tendenci používat masivní kluzná ložiska u kterých je mnohem méně pravděpodobné, že způsobí urážlivé množství rachotu. Zvýšený gramofon Hmotnost má také tendenci vést ke snížení rachotu. Dobrý gramofon by měl mít dunění alespoň 60 dB pod zadanou výstupní úrovní ze sběrače.[16]:79–82 Protože nemají žádné pohyblivé části v signální cestě, digitální systémy nepodléhají rachotu.

Páni a třepetání

Páni a třepetání jsou změnou frekvence analogového zařízení a jsou výsledkem mechanických nedokonalostí, přičemž wow je pomalejší forma chvění. Wow a flutter jsou nejvíce patrné na signálech, které obsahují čisté tóny. U LP desek bude mít kvalita gramofonu velký vliv na úroveň wow a flutteru. Dobrý gramofon bude mít hodnoty wow a flutter menší než 0,05%, což je kolísání rychlosti od střední hodnoty.[16] V záznamu mohou být přítomny také vlny a třepetání v důsledku nedokonalé činnosti rekordéru. Díky jejich přesnosti krystalové oscilátory pro jejich časová základna, digitální systémy nepodléhají vlnám a třepetání.

Frekvenční odezva

U digitálních systémů je horní mez kmitočtové charakteristiky určena hodnotou vzorkovací frekvence. Volba vzorkovací frekvence vzorku v digitálním systému je založena na Nyquist – Shannonova věta o vzorkování. To uvádí, že vzorkovaný signál lze reprodukovat přesně tak dlouho, dokud je vzorkován na frekvenci větší než dvojnásobek šířka pásma signálu, Nyquistova frekvence. Proto by teoreticky stačila vzorkovací frekvence 40 kHz k zachycení všech informací obsažených v signálu majícím frekvenční složky až do 20 kHz. Věta o vzorkování také vyžaduje, aby byl ze signálu, který má být vzorkován, odstraněn obsah frekvence nad Nyquistovou frekvencí. Toho je dosaženo pomocí vyhlazovací filtry které vyžadují přechodové pásmo dostatečně omezit aliasing. Šířka pásma poskytovaná 44 100 Hz vzorkovací frekvence používaná standard pro zvukové disky CD je dostatečně široká, aby pokryla celého člověka dosah, který zhruba sahá od 20 Hz do 20 kHz.[2]:108 Profesionální digitální rekordéry mohou zaznamenávat vyšší frekvence, zatímco některé spotřebitelské a telekomunikační systémy zaznamenávají omezenější frekvenční rozsah.

Vysoká kvalita navíjecí stroje se může pohybovat od 10 Hz do nad 20 kHz.[Citace je zapotřebí ] Někteří výrobci analogových pásek specifikují frekvenční odezvy až do 20 kHz, ale tato měření mohla být prováděna při nižších úrovních signálu.[16] Kompaktní kazety může mít odezvu dosahující až 15 kHz při plné úrovni záznamu (0 dB).[17] Při nižších úrovních (-10 dB) jsou kazety obvykle omezeny na 20 kHz kvůli automatické mazání páskového média.

Frekvenční odezva pro konvenční LP přehrávač může být 20 Hz - 20 kHz +/- 3 dB. Na rozdíl od zvukového CD nevyžadují vinylové desky a kazety filtry proti vyhlazení. Nízkofrekvenční odezva vinylových desek je omezena rachotivým hlukem (popsaným výše), jakož i fyzickými a elektrickými charakteristikami celé sestavy snímacího ramene a snímače. Vysokofrekvenční odezva vinylu závisí na kazetě. CD4 záznamy obsahovaly frekvence až 50 kHz. Na LP deskách byly experimentálně sníženy frekvence až 122 kHz.[18]

Aliasing

Digitální systémy vyžadují, aby veškerý obsah vysokofrekvenčního signálu nad Nyquistova frekvence musí být před odebráním vzorků odstraněny, což, pokud se tak nestane, bude mít za následek ultrazvukové frekvence se „skládají“ na frekvence, které jsou ve slyšitelném rozsahu a vytvářejí tzv. zkreslení aliasing. Aliasingu v digitálních systémech brání vyhlazovací filtr. Navrhování filtru, který přesně odstraní veškerý frekvenční obsah přesně nad nebo pod určitou mezní frekvencí, je však nepraktické.[19] Místo toho se obvykle volí vzorkovací frekvence, která je nad Nyquistovým požadavkem. Toto řešení se nazývá převzorkování a umožňuje použít méně agresivní a levnější filtr vyhlazování.

Starší digitální systémy mohly trpět řadou degradací signálu souvisejících s používáním analogových filtrů proti vyhlazení, např. Časovým rozptylem, nelineární zkreslení, vlnění, teplotní závislost filtrů atd.[20]:8 Pomocí návrhu převzorkování a delta-sigma modulace, analogové filtry proti vyhlazení lze účinně nahradit digitálním filtrem.[19] Tento přístup má několik výhod. Digitální filtr může být vyroben tak, aby měl téměř ideální přenosovou funkci, s nízkým zvlněním v pásmu a bez stárnutí nebo tepelného driftu.[20]:18

Analogové systémy nepodléhají Nyquistovu limitu ani aliasingu, a proto nevyžadují antialiasingové filtry ani žádný z konstrukčních důvodů s nimi spojených.

Vzorkovací frekvence

Zvuk v kvalitě CD je vzorkován na 44 100 Hz (Nyquistova frekvence = 22,05 kHz) a 16 bitů. Vzorkování průběhu na vyšších frekvencích a umožnění většího počtu bitů na vzorek umožňuje další snížení šumu a zkreslení. DAT může vzorkovat zvuk až do 48 kHz DVD-Audio může být 96 nebo 192 kHz a rozlišení až 24 bitů. S jakoukoli z těchto vzorkovacích rychlostí jsou informace o signálu zachyceny nad to, co je obecně považováno za dosah lidského sluchu.

Práce provedené v roce 1981 Muraokou a kol.[21] ukázaly, že hudební signály s frekvenčními složkami nad 20 kHz byly od těch bez odlišeny pouze několika ze 176 testovaných subjektů.[22] Percepční studie Nishiguchi et al. (2004) dospěli k závěru, že „nebyl nalezen žádný významný rozdíl mezi zvuky s velmi vysokofrekvenčními složkami a bez nich mezi zvukovými podněty a subjekty ... [Nishiguchi et al] však stále nemůže ani potvrdit, ani vyvrátit možnost, že by některé subjekty mohly rozlišovat mezi hudebními zvuky s velmi vysokofrekvenčními komponentami a bez nich. “[23]

Ve slepých poslechových testech prováděných Bob Katz v roce 1996, líčený ve své knize Mastering Audio: The Art and the Science„Subjekty používající stejné reprodukční zařízení s vysokou vzorkovací frekvencí nedokázaly rozeznat žádný zvukový rozdíl mezi identicky filtrovaným programovým materiálem a odstraněním frekvencí nad 20 kHz oproti 40 kHz. To ukazuje, že přítomnost nebo nepřítomnost ultrazvukového obsahu nevysvětluje zvukové rozdíly mezi vzorkovacími frekvencemi. Tvrdí, že variace je do značné míry způsobena výkonem filtrů omezujících pásmo v převaděčích. Tyto výsledky naznačují, že hlavní výhodou použití vyšších vzorkovacích frekvencí je to, že tlačí následné fázové zkreslení z filtrů omezujících pásmo mimo slyšitelný rozsah a že za ideálních podmínek nemusí být vyšší vzorkovací frekvence nutné.[24]Dunn (1998) zkoumal výkon digitálních převaděčů, aby zjistil, zda lze tyto rozdíly ve výkonu vysvětlit filtry omezujícími pásmo používané v převaděčích a hledáním artefaktů, které zavádějí.[25]

Kvantování

Ilustrace kvantování vzorkovaného zvukového průběhu pomocí 4 bitů.

Signál je digitálně zaznamenán pomocí analogově-digitální převodník, který měří amplitudu analogového signálu v pravidelných intervalech specifikovaných vzorkovací frekvencí, a poté ukládá tato vzorkovaná čísla do počítačového hardwaru. Základní problém s čísla na počítačích je, že rozsah hodnot, které lze reprezentovat, je konečný, což znamená, že během vzorkování musí být amplituda zvukového signálu zaokrouhlena na nejbližší reprezentaci. Tento proces se nazývá kvantování a tyto malé chyby v měření se projevují zvukově jako nízkoúrovňový šum nebo zkreslení. Tato forma zkreslení, někdy nazývaná granulární nebo kvantizační zkreslení, byla označována jako chyba některých digitálních systémů a nahrávek, zejména některých časných digitálních záznamů, kde se o digitálním vydání říká, že je horší než analogová verze.[26][9]:6

Rozsah možných hodnot, které lze numericky reprezentovat vzorkem, je určen počtem použitých binárních číslic. Toto se nazývá rozlišení a obvykle se v kontextu zvuku PCM označuje jako bitová hloubka. Úroveň kvantizačního šumu je přímo určena tímto číslem a klesá exponenciálně (lineárně v jednotkách dB) se zvyšujícím se rozlišením. S adekvátní bitovou hloubkou bude dominovat náhodný šum z jiných zdrojů, který zcela zakryje kvantovací šum. Standard Redbook CD používá 16 bitů, které udržují kvantizační šum 96 dB pod maximální amplitudou, hluboko pod rozeznatelnou úrovní téměř s jakýmkoli zdrojovým materiálem.[27] DVD-Audio a nejmodernější profesionální záznamové zařízení umožňují vzorky 24 bitů.

Analogové systémy nemusí nutně mít diskrétní digitální úrovně, ve kterých je signál zakódován. V důsledku toho může být původní signál zachován s přesností omezenou pouze vnitřní úrovní šumu a maximální úrovní signálu média a přehrávacího zařízení, tj. Dynamického rozsahu systému.

Kvantování v analogových médiích

Protože analogová média se skládají z molekuly, nejmenší mikroskopická struktura představuje nejmenší kvantovací jednotku zaznamenaného signálu. Přirozené procesy rozkladu, jako jsou náhodné tepelné pohyby molekul, nenulová velikost čtecího nástroje a další průměrné efekty, činí praktický limit větší než limit nejmenšího molekulárního strukturního prvku. Teoretická LP složená z dokonalého diamantu s velikostí drážky 8 mikronů a velikostí prvku 0,5 nanometru má kvantizaci podobnou 16bitovému digitálnímu vzorku.[6]

Rozložit jako řešení

An illustration of dither used in image processing.
Ilustrace rozkladu použitého při zpracování obrazu. Před redukcí palety na pouhých 16 barev byla vložena náhodná odchylka, což je analogické s účinkem rozkladu na zvukový signál.

Je možné udělat kvantizační šum slyšitelně benigní aplikací váhat. K tomu je před kvantováním do původního signálu přidán šum. Optimální využití rozkladu má za následek to, že chyba kvantování je nezávislá na signálu,[11]:143 a umožňuje uchovat informace o signálu pod nejméně významný bit digitálního systému.[9]:3

Algoritmy rozkladu mají také běžně možnost použít nějaký druh tvarování hluku, který tlačí frekvenci velké části šumu šumu do oblastí, které jsou pro lidské uši méně slyšitelné, čímž se snižuje úroveň hlučné podlahy zjevné pro posluchače.

Váhat se běžně používá během mastering před konečným zmenšením bitové hloubky,[24] a také v různých fázích DSP.

Načasování chvění

Jedním z aspektů, které mohou snížit výkon digitálního systému, je chvění. Jedná se o fenomén kolísání v čase od toho, co by mělo být správné rozestupy diskrétních vzorků podle vzorkovací frekvence. To může být způsobeno nepřesnostmi časování digitálních hodin. V ideálním případě by digitální hodiny měly produkovat časovací puls v přesně pravidelných intervalech. Dalšími zdroji chvění v digitálních elektronických obvodech jsou chvění vyvolané daty, kdy jedna část digitálního proudu ovlivňuje následující část, která protéká systémem, a chvění vyvolané napájením, kde hluk ze zdroje způsobuje nepravidelnosti v načasování signály v obvodech, které napájí.

Přesnost digitálního systému závisí na vzorkovaných hodnotách amplitudy, ale také závisí na časové pravidelnosti těchto hodnot. Tato časová závislost je vlastní digitálnímu záznamu a přehrávání a nemá žádný analogický ekvivalent, ačkoli analogové systémy mají své vlastní efekty dočasného zkreslení (chyba výšky tónu a fluktuace).

Periodický jitter produkuje modulační šum a lze jej považovat za ekvivalent analogického flutteru.[28] Náhodné chvění mění hlukovou podlahu digitálního systému. Citlivost převaděče na chvění závisí na konstrukci převodníku.[11] Ukázalo se, že náhodný chvění 5ns může být významné pro 16bitové digitální systémy.[28]

V roce 1998 Benjamin a Gannon zkoumali slyšitelnost chvění pomocí poslechových testů.[11]:34 Zjistili, že nejnižší úroveň chvění, která má být slyšitelná, byla kolem 10 ns (rms ). To bylo na 17 kHz sinusoida testovací signál. S hudbou žádný posluchač neshledal chvění slyšitelné na úrovních nižších než 20 ns. Článek Ashihara et al. (2005) se pokusili určit prahové hodnoty detekce náhodného chvění hudebních signálů. Jejich metoda zahrnovala Poslechové testy ABX. Při diskusi o jejich výsledcích autoři uvedli, že:

Skutečný chvění u spotřebního zboží se zatím zdá být příliš malý na to, aby byl detekován alespoň pro reprodukci hudebních signálů. Není však jasné, zda by detekční prahy získané v této studii skutečně představovaly hranici sluchového rozlišení nebo by byly omezeny rozlišením zařízení. Zkreslení způsobená velmi malým chvěním může být menší než zkreslení způsobená nelineárními charakteristikami reproduktorů. Ashihara a Kiryu [8] hodnotili linearitu reproduktoru a sluchátek. Podle jejich pozorování se zdá, že sluchátka jsou výhodnější pro produkci dostatečného akustického tlaku na ušní bubny s menšími zkresleními než reproduktory.[29]

Zpracování signálu

Po počátečním záznamu je běžné, že se zvukový signál nějakým způsobem změní, například při použití komprese, vyrovnání, zpoždění a reverb. U analogu to přichází v podobě přívěsné hardwarové komponenty a u digitálních se toho obvykle dosahuje zásuvné moduly v digitální audio pracovní stanice (DAW).

A srovnání analogového a digitálního filtrování ukazuje technické výhody obou metod. Digitální filtry jsou přesnější a flexibilnější. Analogové filtry jsou jednodušší, mohou být efektivnější a nezavádějí latenci.

Analogový hardware

Ilustrace fázového posunu.
Fázový posun: sinusový vlna v červené barvě byla zpožděna v čase rovném úhlu , zobrazeno modře jako sinusová vlna.

Při změně signálu pomocí filtru se může výstupní signál časově lišit od signálu na vstupu, který se měří jako jeho fázová odezva. Mnoho ekvalizérů vykazuje toto chování s množstvím fázový posun se liší v některých vzorech a jsou soustředěny kolem pásma, které se upravuje. Ačkoli tento efekt mění signál jiným způsobem než striktní změnou frekvenční odezvy, může mít toto zbarvení někdy pozitivní vliv na vnímání zvuku zvukového signálu.[Citace je zapotřebí ]

Digitální filtry

Protože příslušné proměnné lze ve výpočtech přesně specifikovat, digitální filtry lze objektivně dosáhnout lepšího výkonu než u analogových komponent.[3][30] Další zpracování, jako je zpoždění a míchání, lze provést přesně.

Digitální filtry jsou také flexibilnější. Například lineární fáze ekvalizér nezavádí frekvenčně závislý fázový posun. Tento filtr může být implementován digitálně pomocí a konečná impulzní odezva filtr, ale nemá žádnou praktickou implementaci pomocí analogových komponent.

Praktickou výhodou digitálního zpracování je pohodlnější vyvolání nastavení. Parametry modulu plug-in mohou být uloženy v počítači, zatímco podrobnosti parametrů na analogové jednotce musí být zapsány nebo jinak zaznamenány, pokud je nutné jednotku znovu použít. To může být těžkopádné, když je třeba ručně vyvolat celé směsi pomocí analogové konzoly a přívěsného zařízení. Při digitální práci lze všechny parametry jednoduše uložit do souboru projektu DAW a okamžitě je vyvolat. Většina moderních profesionálních DAW také zpracovává zásuvné moduly v reálném čase, což znamená, že zpracování může být až do konečného mixu do značné míry nedestruktivní.

Analogové modelování

Nyní existuje mnoho modulů plug-in, které zahrnují analogové modelování. Existují zvukoví inženýři které je podporují a mají pocit, že se zvukem srovnávají stejně s analogovými procesy, které napodobují. Analogové modelování přináší oproti jejich analogickým protějškům některé výhody, například schopnost odstranit šum z algoritmů a úpravy, aby byly parametry pružnější. Na druhou stranu se ostatní inženýři také domnívají, že modelování je stále horší než skutečné přívěsné komponenty, a přesto dávají přednost mixu „mimo krabici“.[31]

Kvalita zvuku

Subjektivní hodnocení

Subjektivní hodnocení se pokouší měřit, jak dobře funguje zvuková složka podle lidského ucha. Nejběžnější formou subjektivního testu je poslechový test, kdy se audio komponenta jednoduše používá v kontextu, pro který byla navržena. Tento test je oblíbený u hi-fi recenzentů, kde komponentu dlouhodobě používá recenzent, který poté subjektivně popíše výkon. Běžné popisy zahrnují, zda má komponenta Jasný nebo nudný zvuk nebo jak dobře dokáže komponenta prezentovat a prostorový obraz.

Jiný typ subjektivního testu se provádí za více kontrolovaných podmínek a pokusů o odstranění možného zkreslení z poslechových testů. Tyto druhy testů se provádějí s komponentou skrytou před posluchačem a jsou volány slepé testy. Aby se zabránilo možnému zkreslení osoby provádějící test, může být proveden slepý test, aby tato osoba také nevěděla o testované součásti. Tento typ testu se nazývá dvojitě zaslepený test. Tento druh testu se často používá k hodnocení výkonu ztrátová komprese zvuku.

Kritici dvojitě zaslepených testů je považují za to, že neumožňují posluchači cítit se při hodnocení systémové komponenty plně uvolněně, a proto nemohou posoudit rozdíly mezi různými komponentami, stejně jako při zkouškách zrakem (nevidomých). Ti, kteří používají metodu dvojitě slepého testování, se mohou pokusit snížit stres posluchače tím, že na trénink posluchače poskytnou určitý čas.[32]

Rané digitální nahrávky

Brzy digitální audio přístroje měly neuspokojivé výsledky a digitální převaděče zaváděly chyby, které ucho dokázalo detekovat.[33] Na konci 70. let vydaly nahrávací společnosti svá první LP na základě digitálních zvukových mistrů. CD byla k dispozici na začátku 80. let. V této době byla analogová reprodukce zvuku a vyspělá technologie.

Na rané digitální nahrávky vydané na CD došlo ke smíšené kritické reakci. Ve srovnání s vinylovou deskou bylo zjištěno, že CD mnohem více odhalovalo akustiku a okolní hluk pozadí nahrávacího prostředí.[34] Z tohoto důvodu bylo nutné přizpůsobit záznamové techniky vyvinuté pro analogový disk, např. Umístění mikrofonu, aby vyhovovaly novému digitálnímu formátu.[34]

Některé analogové nahrávky byly předělané pro digitální formáty. Analogové nahrávky pořízené v akustice přirozeného koncertního sálu měly tendenci těžit z remasteringu.[35] Proces remasteringu byl občas kritizován za špatné zacházení. Když byl původní analogový záznam poměrně jasný, remastering někdy vedl k nepřirozenému zvýraznění výšek.[35]

Super Audio CD a DVD-Audio

The Super audio CD Formát (SACD) vytvořil Sony a Philips, kteří byli také vývojáři dřívějšího standardního formátu audio CD. SACD používá Direct Stream Digital (DSD) na základě delta-sigma modulace. Pomocí této techniky se zvuková data ukládají jako posloupnost pevné amplitudy (tj. 1 bitové hodnoty) při vzorkovací frekvenci 2,884 MHz, což je 64násobek vzorkovací frekvence 44,1 kHz používané CD. V kterémkoli okamžiku je amplituda původního analogového signálu představována relativní převahou 1 nad 0 v datovém proudu. Tento digitální datový proud lze proto převést na analogový průchodem přes analogový dolní propust.

The DVD-Audio formát používá standardní, lineární PCM při proměnných vzorkovacích frekvencích a bitových hloubkách, které se přinejmenším shodují a obvykle výrazně převyšují standardy Zvuk CD (16 bitů, 44,1 kHz).

V populárním Hi-Fi tisku bylo navrženo, že lineární PCM „vytváří [a] stresovou reakci u lidí“ a že DSD „je jediný digitální záznamový systém, který [...] tyto účinky nemá“.[36] Zdá se, že toto tvrzení pochází z článku Dr John Diamond oprávněný Lidský stres vyvolaný digitalizovanými nahrávkami.[37] Jádro tvrzení, že nahrávky PCM (jediná v té době dostupná technika digitálního záznamu) vytvářely stresovou reakci spočívající na „testech“ prováděných pomocí pseudovědecké techniky aplikovaná kineziologie, například Dr Diamond na adrese AES Prezentace 66. úmluvy (1980) se stejným názvem.[38] Diamond dříve používal podobnou techniku ​​k prokázání toho, že rocková hudba (na rozdíl od klasické) byla škodlivá pro vaše zdraví kvůli přítomnosti „zastaveného anapestického rytmu“.[39] Tvrzení Dr. Diamond týkající se digitálního zvuku byla převzata Mark Levinson, kteří tvrdili, že zatímco záznamy PCM vedly ke stresové reakci, záznamy DSD ne.[40][41][42] A dvojitě zaslepený subjektivní test mezi lineárním PCM (DVD-Audio) s vysokým rozlišením a DSD neodhalil statisticky významný rozdíl.[43] Posluchači, kteří se podíleli na tomto testu, zaznamenali své velké potíže s dosažením rozdílu mezi těmito dvěma formáty.

Analogové teplo

The vinyl revival je částečně kvůli nedokonalosti analogového zvuku, která dodává teplo.[44] Někteří posluchači dávají přednost takovému zvuku před zvukem CD. Zakladatel a editor Harry Pearson z Absolutní zvuk Časopis říká, že „LP jsou rozhodně muzikálnější. CD odčerpávají duši z hudby. Emocionální zapojení zmizí“. Dub producent Adrian Sherwood má podobné pocity z analogové kazety, kterou preferuje kvůli teplému zvuku.[45]

Ti, kteří upřednostňují digitální formát, poukazují na výsledky slepých testů, které prokazují vysoký možný výkon digitálních rekordérů.[46] Tvrzení je, že „analogový zvuk“ je spíše produktem nepřesností analogového formátu než cokoli jiného. Jedním z prvních a největších příznivců digitálního zvuku byl klasický dirigent Herbert von Karajan, který uvedl, že digitální záznam je „rozhodně lepší než jakákoli jiná forma záznamu, kterou známe“. Propagoval také neúspěšné Digitální kompaktní kazeta a provedl první nahrávku, která kdy byla komerčně vydána na CD: Richard Strauss Eine Alpensinfonie.

Hybridní systémy

Zatímco slova analogový zvuk obvykle znamenají, že zvuk je popsán pomocí přístupu kontinuálního času / kontinuálních amplitud jak v médiích, tak v reprodukčních / záznamových systémech, a slova digitální zvuk naznačují přístup diskrétní čas / diskrétní amplitudy, existují metody kódování zvuku, které spadají někde mezi nimi, např. spojitý čas / diskrétní úrovně a diskrétní čas / spojité úrovně.

I když to není tak běžné jako u „čistě analogových“ nebo „čistě digitálních“ metod, tyto situace se v praxi vyskytují. Ve skutečnosti všechny analogové systémy vykazují diskrétní (kvantované) chování v mikroskopickém měřítku,[47] a asynchronně provozované zesilovače třídy D dokonce vědomě začleňují diskrétní návrhy amplitudy spojitého času. Kontinuální amplitudy, diskrétní časové systémy byly také použity v mnoha časných analogově-digitálních převaděčích ve formě obvodů vzorkování a zadržení. Hranici dále stírají digitální systémy, které se statisticky zaměřují na analogické chování, nejčastěji využitím stochastických technik rozkladu a tvarování šumu. Zatímco vinylové desky a běžné kompaktní kazety jsou analogovými médii a používají kvazilineární metody fyzického kódování (např. Spirální drážka) hloubka, páska magnetické pole síla) bez znatelné kvantizace nebo aliasingu existují analogový nelineární systémy, které vykazují efekty podobné těm, které se vyskytují na digitálních, jako je aliasing a „tvrdé“ dynamické podlahy (např. hi-fi audio s modulovaným kmitočtem na videokazetách, PWM kódované signály).

I když jsou tyto „hybridní“ techniky obvykle častější telekomunikace jejich existence než ve spotřebitelském zvuku, jejich samotná existence stírá rozlišovací čáru mezi určitými digitálními a analogovými systémy, přinejmenším pokud jde o některé z jejich údajných výhod nebo nevýhod.

Digitální záznam má oproti analogovému záznamu mnoho výhod, protože „s čísly se manipuluje snadněji než s drážkami na záznamu nebo magnetizovanými částicemi na pásku“.[48] Because numerical coding represents the sound waves perfectly, the sound can be played back without background noise.

Viz také

Reference

  1. ^ Liversidge, Anthony (February 1995). "Analog versus digital: has vinyl been wrongly dethroned by the music industry?". Omni. Sv. 17 č. 5.
  2. ^ A b C Maes, Jan; Vercammen, Marc, eds. (2001). Digital Audio Technology: A guide to CD, MiniDisc, SACD, DVD(A), MP3 and DAT (4. vyd.). Focal Press. ISBN  0240516540. A 16-bit system, therefore, gives a theoretical signal-to-noise ratio of 98 dB...
  3. ^ A b "Chapter 21: Filter Comparison". dspguide.com. Citováno 13. září 2012.
  4. ^ Mark Garrison (23 September 2011). "Encyclopedia of Home Recording: Dynamic Range".
  5. ^ "State-of-the-Art Audio Transfer". The Audio Archive. Citováno 14. května 2018. Signal-to-Noise NAB (1/4-inch two-track 2.0 mm track, RMS, A-weighted) 30 ips - 75 dB
  6. ^ A b Jim Lesurf (18 May 2000). "The 'digital' defects of the long-playing record". University of St. Andrews. Citováno 22. září 2017.
  7. ^ Michael Fremer (6 January 1999). "Pass Aleph Ono phono preamplifier". Citováno 14. května 2018. Cite magazine vyžaduje | časopis = (Pomoc)
  8. ^ A b Metzler, Bob (2005). The Audio Measurement Handbook (2. vyd.). Audio Precision, USA. Citováno 9. března 2008.
  9. ^ A b C Stuart, J. „Kódování vysoce kvalitního digitálního zvuku“ (PDF). Meridian Audio Ltd. Archived from originál (PDF) dne 11. října 2007. Citováno 9. března 2008This article is substantially the same as Stuart's 2004 JAES article "Coding for High-Resolution Audio Systems", Journal of the Audio Engineering Society, Volume 52 Issue 3 pp. 117–144; Březen 2004.
  10. ^ Elsea, Peter (1996). "Analog Recording of Sound". Electronic Music Studios at the University of California, Santa Cruz. Archivovány od originál dne 16. října 2009. Citováno 9. března 2008.
  11. ^ A b C d E Dunn, Julian (2003). "Measurement Techniques for Digital Audio: Audio Precision Application Note #5". Audio Precision, Inc. Archived from originál dne 20. března 2007. Citováno 9. března 2008.
  12. ^ Manson, W. (1980). "Digital Sound: studio signal coding resolution for broadcasting" (PDF). BBC Research Department, Engineering Division. p. 8.
  13. ^ Jones, Wayne; Wolfe, Michael; Tanner, Theodore C. Jr.; Dinu, Daniel (March 2003). Testing Challenges in Personal Computer Audio Devices. 114th AES Convention. Archivovány od originál dne 7. března 2008. Citováno 9. března 2008.
  14. ^ "CD-R Unreadable in Less Than Two Years". myce.com. Citováno 1. února 2007.
  15. ^ Byers, Fred R (October 2003). "Care and Handling of CDs and DVDs" (PDF). Rada pro knihovnické a informační zdroje. Citováno 27. července 2014.
  16. ^ A b C Driscoll, R. (1980). Practical Hi-Fi Sound, 'Analogue and digital', pages 61–64; 'The pick-up, arm and turntable', pages 79–82. Hamlyn. ISBN  0-600-34627-7.
  17. ^ Stark, C. (1989). "High-fidelity concepts and systems". Macropaedia article 'Sound'. 27 (15 ed.). Encyklopedie Britannica. p. 625.
  18. ^ "mastering". Positive-feedback.com. Citováno 15. srpna 2012.
  19. ^ A b Thompson, Dan. Understanding Audio. Berklee Press, 2005, ch. 14.
  20. ^ A b Hawksford, Malcolm (September 1991). Introduction to Digital Audio Images of Audio (PDF). Proceedings of the 10th International AES Conference. Londýn. Archivovány od originál (PDF) dne 29. září 2007. Citováno 9. března 2008.
  21. ^ Muraoka, Teruo; Iwahara, Makoto; Yamada, Yasuhiro (1981). "Examination of Audio-Bandwidth Requirements for Optimum Sound Signal Transmission". Journal of the Audio Engineering Society. 29 (1/2): 2–9.
  22. ^ Kaoru, A.; Shogo, K (2001). Detection threshold for tones above 22 kHz. 110th AEC Convention. Audio Engineering Society Paper 5401
  23. ^ Nishiguchi, Toshiyuki; Iwaki, Masakazu; Ando, Akio (2004). Perceptual Discrimination between Musical Sounds with and without Very High Frequency Components. NHK Laboratories Note No. 486 (Zpráva). NHK. Archivovány od originál dne 16. října 2015. Citováno 15. srpna 2012.
  24. ^ A b Katz, Bob (2015). Mastering Audio: The Art and the Science (3. vyd.). Focal Press. p. 316-318. ISBN  978-0240818962.
  25. ^ Dunn, Julian (1998). "Anti-alias and anti-image filtering: The benefits of 96kHz sampling rate formats for those who cannot hear above 20kHz" (PDF). Nanophon Limited. Citováno 27. července 2014.
  26. ^ Knee, Anthony B.; Hawksford, Malcolm J. (February 1995). Evaluation of Digital Systems and Digital Recording Using Real Time Audio Data. 98th AES Convention. p. 3.
  27. ^ Hass, Jeffrey (2013). "Chapter 5: Principles of Digital Audio". Center for Electronic and Computer Music. Indiana University.
  28. ^ A b Rumsey, F.; Watkinson, J (1995). "Sections 2.5 and 6". The Digital Interface Handbook (2. vyd.). Focal Press. pp. 37, 154–160.
  29. ^ Ashihara, Kaoru; Kiryu, Shogo; Koizumi, Nobuo; Nishimura, Akira; Ohga, Juro; Sawaguchi, Masaki; Yoshikawa, Shokichiro (2005). "Detection threshold for distortions due to jitter on digital audio". Akustická věda a technologie. 26 (1): 50–54. doi:10.1250/ast.26.50. Archivovány od originál dne 12. srpna 2009. Citováno 31. ledna 2014.
  30. ^ John Eargle, Chris Foreman (2002). Audio Engineering for Sound Reinforcement, The Advantages of Digital Transmission and Signal Processing. ISBN  9780634043550. Citováno 14. září 2012.
  31. ^ "Secrets Of The Mix Engineers: Chris Lord-Alge". Květen 2007. Citováno 13. září 2012.
  32. ^ Toole, Floyd (1994). "Section 11.7: Experimental Procedure". In Borwick, John (ed.). The Loudspeaker and Headphone Handbook (2. vyd.). Focal Press. 481–488. ISBN  0-240-51371-1.
  33. ^ Watkinson, J. (1994). "Section 1.2: What is digital audio? What can we hear?". An Introduction to Digital Audio. Focal Press. str.3, 26. ISBN  0-240-51378-9.
  34. ^ A b Greenfield, E .; et al. (1986). March, Ivan (ed.). Průvodce Penguin pro kompaktní disky, kazety a LP. Penguin Books, England.
  35. ^ A b Greenfield, E .; et al. (1990). "Předmluva". In March, Ivan (ed.). Průvodce Penguin pro kompaktní disky. Penguin Books, England. str. viii – ix. ISBN  0-14-046887-0.
  36. ^ Hawksford, M. (2001). SDM versus LPCM: The Debate Continues (PDF). 110th AES Convention. Archivovány od originál (PDF) on 13 May 2006paper 5397
  37. ^ "Digital stress". The Diamond Center. 2003 [1980]. Archivovány od originál dne 12. srpna 2004. Citováno 17. července 2013.
  38. ^ Diamond, John; Lagadec, Roger (December 1985). "More on -Human Stress Provoked by Digitalized Recordings- and Reply". Journal of the Audio Engineering Society. AES. 33 (12): 968. Citováno 16. srpna 2013.
  39. ^ Fuller, John Grant (1981). Are the Kids All Right?: The Rock Generation and Its Hidden Death Wish. str.130–135. ISBN  0812909704.
  40. ^ Levinson, Mark. "Re-vitalizing Audio Industry:Music and Health" (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 23. března 2014.
  41. ^ Levinson, Mark. "Mark Levinson: CD vs. SACD and LP". Redrosemusic.com. Archivovány od originál dne 29. února 2012. Citováno 16. srpna 2013.
  42. ^ Phillips, Wes (5 July 2005). "Mark Levinson & the Bobcat". Stereophilia. Stereophile.com. Citováno 16. srpna 2013.
  43. ^ Blech, Dominik; Yang, Min-Chi (8–11 May 2004). DVD-Audio versus SACD: Perceptual Discrimination of Digital Audio Coding Formats (PDF). AES Convention:116. Berlín: Audio Engineering Society. Archivovány od originál dne 27. září 2007. Citováno 27. července 2014.
  44. ^ Deffes, Olivia (30. ledna 2020). "Repeat performance: Music lovers warming up to vinyl -- again". Advokát. Citováno 30. ledna 2020.
  45. ^ James Paul (26 September 2003). "Last night a mix tape saved my life | Music | The Guardian". London: Arts.guardian.co.uk. Citováno 15. srpna 2012.
  46. ^ "ABX Testing article". Boston Audio Society. 23. února 1984. Citováno 15. srpna 2012.
  47. ^ Lesurf, Jim. "Analog or Digital?". The Scots Guide to Electronics. St-andrews.ac.uk. Citováno 15. srpna 2012.
  48. ^ Rudolph, Thomas E.; Leonard, Vincent A. (2001). Recording in the Digital World. Publikace Berklee Press. p. 3. ISBN  0634013246.

Bibliografie

externí odkazy