на что влияет sample rate
На что влияет sample rate
Когда сигнал поступает на АЦП с предусилителя, компрессора, выхода пульта, синтезатора, — он представляет собой электромагнитные колебания. То есть на вход АЦП приходит некая волна с изменяющимся напряжением (очень маленьких величин). Для сохранения сигнала в файл его нужно «оцифровать», то есть закодировать с помощью единиц и нулей. В результате получается график волны на экране компьютера.
Даже самый лучший преобразователь имеет погрешность, ведь между нулем и единицей нет промежуточных значений, и график волны будет состоять только из вертикальных и горизонтальных отрезков, без наклонных линий. На графическую прорисовку волны будут влиять высота звука (частота колебаний), его тембр (форма волны) и громкость (амплитуда). Качественный АЦП должен корректно передать системе записи все эти параметры.
Итак, звук поступает в систему дискретно, то есть разделенным мелкие отрезки. От величины этих отрезков зависит точность кодирования аналогового сигнала в цифровой среде. Чем мельче горизонтальная и вертикальная дискретные единицы, тем точнее оцифровка.
Частота дискретизации
Горизонтальное дробление волны дает нам представление о частоте дискретизации, или частоте семплирования. Чем чаще АЦП фиксирует изменения значений графика волны, тем выше частота семплирования. Собственно, один семпл — это дискретный единичный отрезок, минимальная единица звука. Чем он короче, тем выше частота дискретизации.
К примеру, значение частоты дискретизации в 44.1 кГц показывает, что в одной секунде записи содержится 44100 семплов. Мы можем редактировать волну, принимая за минимальный элемент редактирования отрезок длительностью 1/44100 секунды. При увеличении частоты семплирования до 48 кГц этот отрезок уменьшается до 1/48000 доли секунды, давая возможность более точного воздействия.
Согласование частот дискретизации
АКАДЕМИЯ МЮЗИКМЕЙКЕРА
Книга А. Данилова о создании музыки
Каждый семпл по продолжительности равен предыдущему. Для корректного воспроизведения звука частоты дискретизации файла и системы должны быть идентичны. При добавлении в проект звуковой дорожки с частотой дискретизации, отличной от дискретизации хоста (программы), она должна быть сконвертирована.
Если воспроизводить файл более высокой частоты в системе с более низкой, он будет звучать медленнее, чем должен, и наоборот. Конвертирование сигнала из одной частоты в другую всегда приводит к появлению искажений. Чтобы «перекроить» звук под новую частоту дискретизации, система должна разбить семплы на более мелкие куски и снова собрать их в единую волну. Такой процесс может привести в лучшем случае просто к замыливанию звука, в худшем — к появлению щелчков.
Конечно, на встроенных колонках домашнего ноутбука разница будет незаметна. Но если речь идет о работе со звуком на профессиональном уровне, согласование частот дискретизации необходимо.
Не рекомендуется изменять частоту дискретизации в рамках одного проекта. Оправданием повышению дискретизации может быть, например, необходимость обработки файла алгоритмами или плагинами, лучше работающими на высоких частотах. Поскольку более высокая дискретность предполагает разбиение на более мелкие семплы, точность обработки будет выше, а качество в результате лучше. Но гарантировать эффективность этого метода тоже невозможно: в каждом случае результат будет индивидуальным. Необходимо каждый раз оценивать, что важнее — эффект от обработки на более высокой дискретности или негативное влияние конвертации.
Если по какой-то причине после завершения работы на частоте 48 кГц вам потребовалось конвертировать сигнал в 44.1 кГц, сохраните исходный файл на тот случай, если придется повторно вмешиваться в материал (например, для альтернативного мастеринга). Обработка на более высокой частоте дискретизации даст лучший эффект, чем на низкой.
Разрядность звука
Если горизонтальное дробление волны дает нам представление о частоте дискретизации, то вертикальная дискретизация – это разрядность, отвечающая за достоверную передачу динамических элементов записи. Чем большее количество «ступенек» может зафиксировать преобразователь, тем выше разрядность записанного звукового файла.
Например, волна за отрезок времени может совершить движение одной ступенькой от 0 до 16, а может четырьмя — по 4 единицы за шаг. Более точным представлением будет 16 шагов по единице. Количество ступенек, на которые волна дробится по вертикали, — это и есть разрядность.
Чем выше разрядность конвертора, тем достовернее он передаст сигналы разного уровня громкости. Если мы движемся большими шагами, каждый из которых равен 16 единицам (низкая разрядность), то при громкости входящей волны на уровне 4 график ее будет округлять до нуля. А если каждая ступенька разрядности равна 4 единицам (средняя разрядность), значение 4 будет зафиксировано на своем уровне, а значения 3 и 5 округлятся до 4. При единичном шаге все эти значения будут находиться на своих ступеньках — 3, 4, 5 (высокая разрядность).
Таким образом, более высокая разрядность АЦП дает возможность детальнее интерпретировать различные значения громкости звука и максимально приблизиться к форме реальной волны.
Разбиение волны на «ступеньки» по вертикали и горизонтали называется квантованием. Иногда частоту дискретизации называют частотой квантования, а разрядность динамическим квантованием, то есть разделением по уровням громкости (динамика).
Естественно, пример с 16 единицами — условность. Конверторы работают на гораздо более высоких значениях. Например, при разрядности 16 бит система может передать 65536 уровней громкости (2 в степени 16). А при 24 битах — 16777216 уровней (2 в степени 24).
Казалось бы, зачем столько? Неужели наше ухо способно различить хотя бы десять тысяч уровней громкости? Напрямую — не может. Скажем, два сигнала с «соседними» значениями даже при разрядности 16 бит мы различить не в состоянии. Но работа в студии ведется с разнообразными звуками, и некоторые из них имеют значительные перепады по громкости (к примеру, реверберация). Многие процессы требуют тонкой работы с громкостями (например, едва заметное воздействие эквалайзером на спектр). Для корректной работы нужна система с хорошей разрешающей способностью и по горизонтали, и по вертикали.
Но есть и обратная сторона медали. Высокие значения дискретизации и разрядности делают файлы более объемными, и для их обработки системе требуется больше ресурсов. Здесь самое время вспомнить про различия между ресурсонезависимыми и нативными системами. Чем выше квантование, тем сильнее загружается компьютер. Этот фактор более критичен для нативной системы, обремененной обслуживанием операционки и фоновых процессов.
Всегда нужно искать баланс между значениями дискретизации и разрядности и реальными возможностями системы. Не заставляйте ее работать на пределе, оставляйте резерв мощности.
Мы приближаемся к очень важной и мало кому понятной теме, связанной с музыкальным производством. Речь о так называемых шумах квантования. В ближайшее время этому явлению будет посвящен отдельный материал. Понимание природы шумов квантования дает возможность музыканту и звукорежиссеру разобраться в некоторых непростых вопросах, связанных с записью музыки в цифровой среде. Поскольку ввиду дороговизны и сложности в обслуживании аналогового оборудования подавляющее большинство музыкантов работает прежде всего именно в цифровых системах записи, эта тема так или иначе затрагивает всех.
Следите за обновлениями блога, подписывайтесь на новые статьи, чтобы совершенно бесплатно получать их на электронную почту. Также хочу напомнить, что очень много познавательной практической и теоретической информации содержится в моей книге «Академия Мюзикмейкера», которую без посредников можно приобрести на сайте MusicMaker.Pro.
Остались вопросы? Не стесняйтесь задавать их в комментариях под статьей или присоединяйтесь к обсуждениям в этой группе ВКонтакте, посвященной синтезаторам, музыкальному оборудованию и звукозаписи.
© Алексей Данилов Иллюстрации: А. Рублевский При перепечатывании ссылка на источник обязательна
Хотите получать новые статьи
прямо на почту?
Подпишитесь на обновления блога А. Данилова
Цифровое представление аналогового аудиосигнала. Краткий ликбез
Дорогие читатели, меня зовут Феликс Арутюнян. Я студент, профессиональный скрипач. В этой статье хочу поделиться с Вами отрывком из моей презентации, которую я представил в университете музыки и театра Граца по предмету прикладная акустика.
Рассмотрим теоретические аспекты преобразования аналогового (аудио) сигнала в цифровой.
Статья не будет всеохватывающей, но в тексте будут гиперссылки для дальнейшего изучения темы.
Чем отличается цифровой аудиосигнал от аналогового?
Аналоговый (или континуальный) сигнал описывается непрерывной функцией времени, т.е. имеет непрерывную линию с непрерывным множеством возможных значений (рис. 1).
Цифровой сигнал — это сигнал, который можно представить как последовательность определенных цифровых значений. В любой момент времени он может принимать только одно определенное конечное значение (рис. 2).
Аналоговый сигнал в динамическом диапазоне может принимать любые значения. Аналоговый сигнал преобразуется в цифровой с помощью двух процессов — дискретизация и квантование. Очередь процессов не важна.
Дискретизацией называется процесс регистрации (измерения) значения сигнала через определенные промежутки (обычно равные) времени (рис. 3).
Квантование — это процесс разбиения диапазона амплитуды сигнала на определенное количество уровней и округление значений, измеренных во время дискретизации, до ближайшего уровня (рис. 4).
Дискретизация разбивает сигнал по временной составляющей (по вертикали, рис. 5, слева).
Квантование приводит сигнал к заданным значениям, то есть округляет сигнал до ближайших к нему уровней (по горизонтали, рис. 5, справа).
Эти два процесса создают как бы координатную систему, которая позволяет описывать аудиосигнал определенным значением в любой момент времени.
Цифровым называется сигнал, к которому применены дискретизация и квантование. Оцифровка происходит в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). Чем больше число уровней квантования и чем выше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал соответствует аналоговому (рис. 6).
Уровни квантования нумеруются и каждому уровню присваивается двоичный код. (рис. 7)
Количество битов, которые присваиваются каждому уровню квантования называют разрядностью или глубиной квантования (eng. bit depth). Чем выше разрядность, тем больше уровней можно представить двоичным кодом (рис. 8).
Данная формула позволяет вычислить количество уровней квантования:
Если N — количество уровней квантования,
n — разрядность, то
Обычно используют разрядности в 8, 12, 16 и 24 бит. Несложно вычислить, что при n=24 количество уровней N = 16,777,216.
При n = 1 аудиосигнал превратится в азбуку Морзе: либо есть «стук», либо нету. Существует также разрядность 32 бит с плавающей запятой. Обычный компактный Аудио-CD имеет разрядность 16 бит. Чем ниже разрядность, тем больше округляются значения и тем больше ошибка квантования.
Ошибкой квантований называют отклонение квантованного сигнала от аналогового, т.е. разница между входным значением 
и квантованным значением 
(
)
Большие ошибки квантования приводят к сильным искажениям аудиосигнала (шум квантования).
Чем выше разрядность, тем незначительнее ошибки квантования и тем лучше отношение сигнал/шум (Signal-to-noise ratio, SNR), и наоборот: при низкой разрядности вырастает шум (рис. 9).
Разрядность также определяет динамический диапазон сигнала, то есть соотношение максимального и минимального значений. С каждым битом динамический диапазон вырастает примерно на 6dB (Децибел) (6dB это в 2 раза; то есть координатная сетка становиться плотнее, возрастает градация).
Ошибки квантования (округления) из-за недостаточного количество уровней не могут быть исправлены.
50dB SNR
примечание: если аудиофайлы не воспроизводятся онлайн, пожалуйста, скачивайте их.
Теперь о дискретизации.
Как уже говорили ранее, это разбиение сигнала по вертикали и измерение величины значения через определенный промежуток времени. Этот промежуток называется периодом дискретизации или интервалом выборок. Частотой выборок, или частотой дискретизации (всеми известный sample rate) называется величина, обратная периоду дискретизации и измеряется в герцах. Если
T — период дискретизации,
F — частота дискретизации, то 
Чтобы аналоговый сигнал можно было преобразовать обратно из цифрового сигнала (точно реконструировать непрерывную и плавную функцию из дискретных, «точечных» значении), нужно следовать теореме Котельникова (теорема Найквиста — Шеннона).
Теорема Котельникова гласит:
Если аналоговый сигнал имеет финитный (ограниченной по ширине) спектр, то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой, строго большей удвоенной верхней частоты.
Вам знакомо число 44.1kHz? Это один из стандартов частоты дискретизации, и это число выбрали именно потому, что человеческое ухо слышит только сигналы до 20kHz. Число 44.1 более чем в два раза больше чем 20, поэтому все частоты в цифровом сигнале, доступные человеческому уху, могут быть преобразованы в аналоговом виде без искажении.
Но ведь 20*2=40, почему 44.1? Все дело в совместимости с стандартами PAL и NTSC. Но сегодня не будем рассматривать этот момент. Что будет, если не следовать теореме Котельникова?
Когда в аудиосигнале встречается частота, которая выше чем 1/2 частоты дискретизации, тогда возникает алиасинг — эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации.
Как видно из предыдущей картинки, точки дискретизации расположены так далеко друг от друга, что при интерполировании (т.е. преобразовании дискретных точек обратно в аналоговый сигнал) по ошибке восстанавливается совершенно другая частота.
Аудиопример 4: Линейно возрастающая частота от
100 до 8000Hz. Частота дискретизации — 16000Hz. Нет алиасинга.
Аудиопример 5: Тот же файл. Частота дискретизации — 8000Hz. Присутствует алиасинг
Пример:
Имеется аудиоматериал, где пиковая частота — 2500Hz. Значит, частоту дискретизации нужно выбрать как минимум 5000Hz.
Следующая характеристика цифрового аудио это битрейт. Битрейт (bitrate) — это объем данных, передаваемых в единицу времени. Битрейт обычно измеряют в битах в секунду (Bit/s или bps). Битрейт может быть переменным, постоянным или усреднённым.
Следующая формула позволяет вычислить битрейт (действительна только для несжатых потоков данных):
Битрейт = Частота дискретизации * Разрядность * Количество каналов
Например, битрейт Audio-CD можно рассчитать так:
44100 (частота дискретизации) * 16 (разрядность) * 2 (количество каналов, stereo)= 1411200 bps = 1411.2 kbit/s
При постоянном битрейте (constant bitrate, CBR) передача объема потока данных в единицу времени не изменяется на протяжении всей передачи. Главное преимущество — возможность довольно точно предсказать размер конечного файла. Из минусов — не оптимальное соотношение размер/качество, так как «плотность» аудиоматериала в течении музыкального произведения динамично изменяется.
При кодировании переменным битрейтом (VBR), кодек выбирает битрейт исходя из задаваемого желаемого качества. Как видно из названия, битрейт варьируется в течение кодируемого аудиофайла. Данный метод даёт наилучшее соотношение качество/размер выходного файла. Из минусов: точный размер конечного файла очень плохо предсказуем.
Усреднённый битрейт (ABR) является частным случаем VBR и занимает промежуточное место между постоянным и переменным битрейтом. Конкретный битрейт задаётся пользователем. Программа все же варьирует его в определенном диапазоне, но не выходит за заданную среднюю величину.
При заданном битрейте качество VBR обычно выше чем ABR. Качество ABR в свою очередь выше чем CBR: VBR > ABR > CBR.
ABR подходит для пользователей, которым нужны преимущества кодирования VBR, но с относительно предсказуемым размером файла. Для ABR обычно требуется кодирование в 2 прохода, так как на первом проходе кодек не знает какие части аудиоматериала должны кодироваться с максимальным битрейтом.
Существуют 3 метода хранения цифрового аудиоматериала:
Несжатый (RAW) формат данных
Другой формат хранения несжатого аудиопотока это WAV. В отличие от RAW, WAV содержит заголовок файла.
Аудиоформаты с сжатием без потерь
Принцип сжатия схож с архиваторами (Winrar, Winzip и т.д.). Данные могут быть сжаты и снова распакованы любое количество раз без потери информации.
Как доказать, что при сжатии без потерь, информация действительно остаётся не тронутой? Это можно доказать методом деструктивной интерференции. Берем две аудиодорожки. В первой дорожке импортируем оригинальный, несжатый wav файл. Во второй дорожке импортируем тот же аудиофайл, сжатый без потерь. Инвертируем фазу одного из дорожек (зеркальное отображение). При проигрывании одновременно обеих дорожек выходной сигнал будет тишиной.
Это доказывает, что оба файла содержат абсолютно идентичные информации (рис. 11).
Кодеки сжатия без потерь: flac, WavPack, Monkey’s Audio…
При сжатии с потерями
акцент делается не на избежание потерь информации, а на спекуляцию с субъективными восприятиями (Психоакустика). Например, ухо взрослого человек обычно не воспринимает частоты выше 16kHz. Используя этот факт, кодек сжатия с потерями может просто жестко срезать все частоты выше 16kHz, так как «все равно никто не услышит разницу».
Другой пример — эффект маскировки. Слабые амплитуды, которые перекрываются сильными амплитудами, могут быть воспроизведены с меньшим качеством. При громких низких частотах тихие средние частоты не улавливаются ухом. Например, если присутствует звук в 1kHz с уровнем громкости в 80dB, то 2kHz-звук с громкостью 40dB больше не слышим.
Этим и пользуется кодек: 2kHz-звук можно убрать.
Кодеки сжатия с потерям: mp3, aac, ogg, wma, Musepack…
К вопросу о выборе частоты дискретизации при сэмплировании аудио.
Статья взята из открытых источников. Интересны ваши мнения!
К вопросу о выборе частоты дискретизации при сэмплировании аудио.
К вопросу о выборе частоты дискретизации при сэмплировании аудио. Конечно, ничего нового и неизведанного в этом нет, какой частотой дискретизации пользоваться при записи музыкальной композиции (подразумеваем, что стремимся мы что-то записать как можно качественней, а не только для информационной наполненности).
Конечно, здесь немалое значение будет иметь сама, на то компьютера способность своевременно обрабатывать входящий аудиопоток, а также свойства аудиокарты.
Но суть, наверное, не в том, «хорошо ли курить или нет», а в самом «виде вывернутых лёгких» — недолгом и наглядном исследовании формы волны, после того, когда возникла полемика насчёт того, насколько лучше качество оцифровки в 96 кГц относительно стандартных 44-х…
После этого приятель «закачал» файл формата DVD-AUDIO на мой компьютер, а я сделал экстракт в «wave» и поместил полученный файл под микроскоп, с названием «Adobe Audition»,
Но об этом чуть позже…
До визуального исследования я полагал (предвзято), что если и будет наблюдаться какое-либо улучшение восприятия подобного звучания, то совсем незначительное, ввиду того, что с увеличением частоты за гранью восприятия звука она (частота) будет почти недосягаемой для «фиксации» мозгом и одел предложенные приятелем наушники (Zennheiser PMX 100) подключенные просто к выходу “дефолтной” звуковой карты компьютера.
Так вот я слушал и слушал, и убеждался в том, что разницу ещё нужно постараться поймать и пошёл к своему компьютеру загружать принятый недавно по «локале» файл. Преобразовал исходный файл в стандарт «wav», сохранив исходные 96 кГц. Теперь сигнал был подан уже через усилитель Pioneer и такие же Zennheiser PMX 100.
…И вот тут-то почувствовал, как преобразился звук, (а ещё я любитель приподнять немного высоких и низких частот…) звук казался «аналоговым». Сразу после этого включаю конвертированный до 44 кГц тот же файл, и… четко понимаю, что это не MP3, а «wave», причём стандарта качества CD-AUDIO, и, тем не менее, контрастом стало ощущение 44 кГц относительно 96-ти. Причём напоминало звучание MP3. И это даже не через высококлассные студийные мониторы и усилители…
А вот и сами «вывернутые лёгкие», загруженные в Аудишн:
Пример 44 кГц. Скачать (4,5 мег.)
Пример 96 кГц. Скачать (14,5 мег.)
Видим чётко, что попадает к нам в уши в обоих вариантах. Сколько нюансов теряется («домысливается», «дорисовывается (кротчайший, вероятный) путь» между соседними сэмплами) и упрощается по известным алгоритмам звуковой волны, где «были» те нюансы, которых мы теперь не слышим… (я про 44..).
Ещё важный момент: не обязательно впадать в фанатизм по поводу качества исходников. Хотя, это безусловно важно, но Оцифрована должна быть прежде всего Ваша идея… я о золотой середине… во всяком случае исходники (например в работе с мультитреком) ниже 48 кГц нежелательны. Если мощность компьютера заведомо недостаточна, то и устанавивать, к примеру, 192 кГц в новой сессии, конечно же неразумно.
Наш сегодняшний пример пришёл на исследование после оцифровки виниловой грамзаписи в формат DVD-AUDIO (понятно, что звуковой картой, «что надо» и «головой» соответствующей) и переконвертированный из этого формата в формат WAV.
Частота дискретизации
На сегодняшний день даже бюджетные аудио интерфейсы поддерживают частоту дискретизации 192 кГц. Но на различных музыкальных форумах по прежнему ведутся споры о том, стоит ли переходить с частоты дискретизации 44.1 кГц на 48, 88.2 или 96 кГц. Многие музыканты придерживаются комбинации 24-бит/44.1 кГц, потому как продолжают создавать музыку в основном с помощью внешних MIDI клавиатур и программных семплеров, которые работают с семплами 44.1 кГц. Так что они не видят никакого смысла в увеличении частоты дискретизации, тем более что окончательным носителем музыки все равно становится 16-бит/44.1 кГц аудио диск. Однако даже те, кто используют электронные инструменты, оценят более аккуратную компрессию и ограничение пиков на повышенной частоте дискретизации, да и эквалайзер будет работать более точно и звучать приближеннее к аналогу. Музыканты, использующие программные синтезаторы и генераторы формы волны также отметят более чистое звучание.
Для записи живой классической и любой другой акустической музыки большинство серьезных звукоинженеров используют режим 24-бит/96 кГц. В этом особенно есть смысл, если конечным носителем музыки оказывается DVD релиз с частотой дискретизации 48 или 96 кГц (в зависимости от количества каналов). Высокая частота дискретизации гарантирует Вам отличное качество записи на высоких частотах, детали звучания инструментов и пространственную локализацию (возможность различать на записи положение в пространстве каждого инструмента), чем при частоте дискретизации 44.1 кГц или 48 кГц. Также при большой частоте дискретизации высокочастотные сигналы выше 20 кГц делают звучание более натуральным. Однако помните, что качество звука определяется самым худшим звеном в цепи, так что если остальные устройства у Вас не высшего класса, то увеличение частоты дискретизации может Вам абсолютно ничего не дать.
Также стоит помнить, что при использовании частоты дискретизации, например, 192 кГц все плагины и программные синтезаторы будут потреблять в 4 раза больше ресурсов компьютера, занимать в 4 раза больше места на диске и в 4 раза уменьшать возможное время записи в отличие от использования частоты дискретизации 44.1 кГц.