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第16章 数字录音新的实用概念介绍与分析(2)

7.时钟(The Clock)

每一台数字音频设备都有为它的信号作定时设定的时钟。时钟是运行在取样率上的一系列的脉冲。当把数字音频从一台设备转移到另一台上去的时候,它们的时钟必须同步。有一台设备必须提供主时钟,而另一台设备则应该作为子时钟。如果从一台设备上发送数字音频信号时,那么接收设备要与发送设备的时钟相同步,这些时钟信号都是内含在它的数字信号内的。

如果有一台设备(例如是一台数字调音台)从许多信号源那里收到数据时,那么它立刻会选择一台作为字时钟信号源的设备。把这台设备的字时钟输出连接到一台字时钟分配单元的输入。然后从每台分配单元的输出接一根线缆到每一台其他设备的输入。这种方法就可以把全部设备加以同步。

8.数字音频信号格式(Digital Audio Signal Formats)

数字音频信号共有四种基本格式:AES/EBU、S/PDIF、ADAT光缆传输和TDIF。

现分别介绍如下:

①AES/EBU(也称做AES3-1985):2声道专业格式。使用一种端接卡侬(XLR)头的平衡110欧姆阻抗的屏蔽双绞线线缆。信号包含有数字音频加一个字时钟信号,或是运行在另一根线缆上独立的字时钟信号。AES/EBU线缆可使用的长度可达200公尺。如果字时钟线缆在25英尺以下时,可使用不平衡的75欧姆阻抗的BNC(同轴电缆接插件)插头座。如果字时钟线缆在超过25英尺以上时,则应使用平衡的110欧姆阻抗的AES数字线缆。

②S/PDIFSony/Philips数字接口(也叫做EIAJCP-340TypeII或IEC958):2声道用户或半专业格式。信号包含有数字音频加内含的字时钟信号。

使用端接RCA(莲花接插件)或BNC(同轴电缆接插件)接插件的75欧姆阻抗的同轴电缆,或使用端接Toslink接插件的光缆。光端接口要避免接地回路以及光缆损失。AES/EBU比S/PDIF的信号有较高的电压。

③ADAT光缆传输:这是AlesisADAT模块式数字多轨机所使用的一种光缆传输,在一根端接Toslink接插件的光缆的输入和输出上发送8通路的数字音频。每8条通路的传输需要有一根独立的光缆。

④TascamTDIF(Tascam数字接口):这是Tascam牌子的DA-88型或类似的模块式多轨数字录音机使用端接标准DB-25接插件的多芯电缆。TDIF在单根线缆上发送8通路的数字音频输入和输出,线缆使用长度不能超过5公尺。

9.信号格式的转换(Converting Signal Formats)

AES和S/PDIF的信号大致相似,但是没有必要相兼容。可以用格式转换器来对它们做转换。有些声卡和数字调音台可以作这种转换。ADAT和TDIF也可以做很满意的转换。

有些数字音频设备不能正确地运行AES或S/PDIF格式信号。所以它们不能与其他一些设备相连接在一起工作。

10.比特补偿器(Dither)

硬盘录音机、软件和数字调音台等都可以在24比特运行,但是在终端却接有一台16比特的CD机。当你把24比特音频文件作为一个16比特文件保存后再转移到CD上的时候,那么最后的8个比特被截短或被切除。其结果可能会导致一种在很低电平时的粒状般的静电噪声。这种失真可以用加入低电平的随机噪声到信号中去的方法来加以克服。解释如下:一个24比特的分辨率可以抓住音乐节目中最为安静的部分:诸如一种长长的音乐淡出和混响的结尾等那样的极低电平的信号。但是这种信号被截短到16比特后,可以使这些低电平的信号发出粒状般的或是模糊的声音,这是因为16比特与24比特相比,对模拟波形的测量精确度要来得低。这种模糊的的声音,被叫做量化失真,在正常的电平时是不存在的。

为什么会引起这种失真呢?每个数字化的字是由一定数量的比特来组成。在量化期间,A/D转换器分配尽可能靠近的数字号码来代表每次取样的测量电压。最末位或是最右位的比特(最小的重要的比特least significant bit或LSB)开关的打开或是关闭要取决于转换器围绕这一个字的值是上升还是下降。如果在16比特内出现开关时,那么在安静的段落期间,可能会出现轻微的但是可听到的模糊的噪声。

也就是说,一个24比特的录音在底下8比特内有可能出现256个电平。

但是信号被截短到16比特之后,就失去了分辨的能力。

为解决这一问题,在由24比特被截短到16比特之前,有一种比特补偿(dithering)的措施,即把一种随机的噪声(一些随机的1和0)加入到24比特信号中的底下的8比特(大约在-100dB)上。这一噪声用一些24比特的信息来把第16位比特调制成为脉冲-密度调制(pulse-density modulation)的形式。被调制方波的平均值由一个低通滤波器来恢复。这样大部分24比特的声音质量会得到恢复,而且其量化失真被改变成一些轻微的咝咝声。

要使被加入的咝咝声不明显,则可使用噪声整形的方法。噪声整形是把一个取样滤波器加到噪声上,能降低对我们人耳最敏感的中频段内的噪声电平,而只是增加了对人耳很少可以听得到的噪声中的高频段的电平。

与一个被截短了的信号相比,一个被截短后并经过比特补偿后的信号听起来会更清晰、透明一些。淡出声和混响的尾声较为柔和些,并且具有更多声音上的细节。本底噪声以下的信号变成清晰可闻。

当需要把一个高比特深度的信号源转换到16比特的CD格式时,为得到最佳的声音质量,就只要使用一回比特补偿器(dither)。例如,在24比特下录音,之后在整个录音阶段加以保持,只有在最后阶段刻录一张CD盘之前才把它使用比特补偿到16比特。不要在已经作过比特补偿的素材上再作比特补偿——关闭任何的比特补偿。当在两个文件之间作衔接时,要确保每个文件是未作过比特补偿过的,只有在母带制作期间的文件衔接之后才可以加入比特补偿。

要审听比特补偿的效果,开始用一首干净的24比特的录音作品,在你的编辑软件内降低电平50dB,并把它作为一个16比特文件输出。有三种输出的方式:没有比特补偿器、用比特补偿器以及具有加入噪声整形的比特补偿器。接着,把输出的录音内容恢复正常,使录音信号达到表头指示上的峰顶为0dBFS。然后用耳机在高电平下审听16比特文件的结果。比较其处理过程并审听哪一种方式的声音最佳。通常情况下,被截短后未加比特补偿器的信号总是伴有剧烈的粒状般的噪声,而被截短后加入比特补偿后的信号伴有轻微平静的咝咝声或很寂静。

还有需要比特补偿的另一种应用。数字信号处理——诸如电平的变更、均衡或混响等——在处理器的芯片内部进行,通过在每个取样上执行数学运算来完成。这些运算产生了比存在于原始节目中要长得多的字长。但是处理器必须输出与原始信号相同的字长。例如,一个16比特的音频文件在经过处理之后可能会产生32比特的字长。这个32比特的字长必须在处理器的输出端被转换成16比特。超出的比特数必须被截短或切除,但是这样一来会引起失真。所以要用到比特补偿,比特补偿可以在D/A(数/模)转换器内能自动地进行。也可以在某些数字编辑程序内和外接的D/A转换器上做人工设定。只要在处理器的输出之前,执行一次比特补偿即可。

在转换到16比特时使用优良的比特补偿算法,就有可能保持大部分的24比特的质量(超低失真和精美的细节)。有一种这样的系统为Sony Super Bit Mapping产品。另一种产品为来自Power-r Consortium LLC的POW-rTM心理声学最佳优化字长降低算法(Psychoacoustically Optimized Word-Length Reductional gorithm)。它可把高分辨率、较高的字长(20至32比特)降低到一种CD标准,而仍可保持高分辨率录音的清晰度和透明度。换句话说,16比特CD所发出的声音像初始的24比特录音一样好。

此外,还可以通过一台多通路24比特的A/D转换器发送音频,用POW-r来对其处理,并把结果记录到16比特录音机上。在重放时所发出的声音非常像24比特的录音。

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