一个简短的历史
本学期初,我们学过一些基本的声学概念——例如,声音开始于一个物体的振动,进而创造空气分子的压缩和稀疏模式。只是空气压力的变化,“捕获”在这两个模拟和数字录音的方法。
在1870年,托马斯·爱迪生发明了留声机,第一个实用的设备能够录制声音和玩的。在下个世纪,有许多创新,改善录音典型的消费者购买,但直到光盘在1980年代成为普遍,大多数录音模拟。
介绍数字音频,第1部分
模拟到数字记录链
数字录音总是始于住声压力波,被麦克风;一个模拟电信号,如合成器音频输出;或与声音的模拟表示已经记录在磁带或留声机(乙烯基)。
在上面的例子中,贝尔是生活声源。的麦克风反应产生的声能贝尔的振动(上述气压的变化),并将声波的能量转换成电能——一个不断变化的电压。出于这个原因,我们说麦克风是一个传感器:它改变了能量从一种形式到另一个地方。
电电压的变化模拟声波波形的形状或模式创建的贝尔,所以这是一个模拟贝尔的波形。声压变化和模拟电信号不断变化。
接下来,麦克风的信号发送到一个ADC,或模拟到数字转换器。你可能想通过它的名称,ADC将模拟电信号转换为数字信号。
模拟信号的数字信号编码二进制数- 0和1,可以使用和存储在你的电脑。然而,我们不能听数字。所以这些数据必须转换回来一个耳机的模拟信号。这个任务完成了DAC,或数字模拟转换器。耳机(或扬声器)不断变化的模拟电信号转换成空气压力变化。
模拟与数字
这里是一个快速的描述之间的区别一个模拟声音信号和数字声音信号:
- 模拟:一个连续信号,模拟声压力波的形状
- 数字:一连串的离散的数字表示模拟信号的瞬时振幅,以等距的点
可视化这一重要区别,它可能帮助把模拟信号类似于一个斜坡,而数字信号,相比之下,更像楼梯的步骤。
模拟到数字转换
让我们讨论一下,在更大的深度,如何模拟信号变成数字信号。这幅图显示了一个模拟电信号,如麦克风发出,其振幅曲线随时间画红线。
灰色的竖线叠加在红波形代表等距的点时将测量波形的振幅。
振幅测量,或采样点上面的插图所示蓝色恒星,就像一系列的快照,综上所述,描述最初的声波波形的振幅曲线。
模拟到数字的概述
模拟数字转换的两个主要特征:采样率确定的范围频率可以编码;和采样分辨率——振幅测量的准确性——决定了数字信号的噪声水平。
- 采样率
-
模拟信号的频率测量,表示样本中每秒(赫兹)
例子:44100赫兹
- 采样分辨率
-
数字用于振幅测量精度:位越多,分辨率越高,也被称为“样本字长,”和“深度”
例如:16位
在上面的例子中,所表现出的采样率是灰色的竖线:采样率越高,越接近在一起将这些行。
采样分辨率是主要的主题数字音频,第2部分。
尼奎斯特定理
采样率决定了用数字信号最高频率可以代表。的尼奎斯特定理(命名的瑞典籍研究员,哈利尼奎斯特)州……
采样率必须至少两倍你想代表最高频率。
考虑这个问题的一个方法是想象一个高频正弦波我们样本两个分循环:波形的波峰(上)和波形的槽(底部)。
插图显示了两个周期的正弦波,每个周期由两个采样点(蓝色恒星)。
足以让我们显示的采样点重建原来的模拟音频信号。因为有两个采样点为每个周期,这意味着采样率(或频率)是正弦波的频率的两倍。(如果正弦波是10000 Hz,采样率为20000 Hz)。这符合奈奎斯特定理,采样率的要求至少两倍的最高频率的信号。
上面所示的频率是多少严格采样少,也就是说,如果你有任何每周期采样点,你将无法准确表示模拟信号。这个频率,采样率的一半,被称为奈奎斯特频率。
(你可能会对这一说法表示怀疑,上面这两个样品分周期可以重建正弦波。不会重建创造点之间的直线?事实上,将数字信号转换为模拟的过程形式包括一个模拟“平滑”过滤,导致输出密切近似原始弯曲形状。)
混叠
如果采样率会发生什么不足够高的?你将听到一个工件混叠,或叠影:高频信号采样率过低将“伪装”成一个低频率的信号。
红色的插图显示了一个模拟信号,采样环绕的地方。这个正弦波的频率高于奈奎斯特频率。因为有少于两采样点每周期的正弦波发生混叠。冲蓝色曲线显示的正弦波由给定的采样点表示。这个正弦波别名有1/3的频率高达原红正弦波。如果采样率是20000 Hz,奈奎斯特频率10000赫兹。在这种情况下,红色的正弦是15000 Hz,过高表示正确。相反,它“折叠”到5000赫兹。(你不会负责计算这些东西测试。)
ADC具有反锯齿模拟低通滤波器来解决这个问题:它过滤掉频率高于奈奎斯特频率模拟数字转换之前发生。然而,软件综合音频会导致产生频率混叠的高于奈奎斯特频率。这些高频别名数模转换后较低的频率。没有办法过滤掉这些虚假的别名频率后他们已经生成。一些软件反锯齿振荡在许多情况下,为了防止出现这种情况。
下面,你可以玩一个向上正弦波滑音从20赫兹到44100赫兹,从数字模拟转换采样率为44100 Hz。等待你听到后有点球场获得如此之高,以至于它消失了。一旦滑音穿过奈奎斯特频率(22050赫兹),球场将“折叠,”出现,并再次跌至底部,尽管数字信号的频率仍在上升到44100赫兹。
常见的抽样率
在课堂上,我们将听录音的例子捕获在几个不同的采样率。
最常见的抽样率:
- 44100赫兹(CD)
- 48000赫兹(DV, dvd中)
- 96000赫兹(当前外部音频接口)
为什么一个96000 Hz采样率是有用的,如果人类能听到什么超出20 kHz ?实际上,有些人相信人类可以这些更高的频率。但更好的理由是,使采样率如此之高允许转换器设计师创建反锯齿的过滤器有一个平坦的频率响应范围从0到20000赫兹。