Basisprincipes van digitale audio #2: beste praktijken

Welke samplerate moet ik gebruiken? Wat zijn inter-samplepieken? Ditheren. Hoofdkamer. Bitresolutie. Leer al deze essentiële digitale audioconcepten om uw opnamen te verbeteren en te optimaliseren voor afspelen en streamen.

Door Craig Anderton

In Basisprincipes van digitale audio #1: wat u moet weten, hebben we de basiselementen van digitale audio behandeld. Laten we nu een diepere duik nemen en ontdekken hoe we digitale audio optimaal kunnen benutten.

Hardwareresolutie versus opnamesoftwareresolutie

Opnameresolutie, zoals besproken in deel 1, beschrijft de nauwkeurigheid waarmee uw systeem audio kan vastleggen en die gegevens in getallen kan omzetten. Maar als die cijfers eenmaal in uw computer staan, worden ze gemanipuleerd, wat ons tot een ander soort resolutie brengt.

Hier leest u waarom het nodig is en hoe u het in uw software kunt optimaliseren.

Het wijzigen van niveaus in uw software omvat het vermenigvuldigen en delen van de getallen die digitale audio vertegenwoordigen. Het is dus gemakkelijk om totalen te krijgen die een hogere resolutie vereisen. Beschouw dit eenvoudige voorbeeld: als u 2 x 2 vermenigvuldigt, heeft u slechts 1 cijfer (4) nodig om het resultaat weer te geven. Maar als je 2 x 9 vermenigvuldigt – wat beide getallen van één cijfer zijn – heb je nu twee cijfers nodig om het resultaat van 18 te geven.

Het uitvoeren van wiskundige bewerkingen op een 24-bits getal kan dus resultaten opleveren die meer dan 24 bits resolutie vereisen. Als u het resultaat afrondt op 24 bits, kan de afronding na meerdere wiskundige bewerkingen leiden tot fouten die mogelijk hoorbaar zijn.

Als gevolg hiervan zal de resolutie die door de audio-engine in uw computer wordt gebruikt om audio te verwerken, een hogere resolutie hebben dan, en onafhankelijk zijn van, de opnameresolutie. Deze resolutie audio-engine, ook wel genoemd verwerkingsresolutie:, wordt ingesteld in de voorkeuren van uw programma.

Kies voor de beste resultaten de hoogst beschikbare resolutie (meestal 64 bits), maar houd er rekening mee dat dit uw computer meer kan belasten dan lagere resoluties. Als uw systeem soepeler werkt met een 32-bits resolutie, gebruikt u die in plaats daarvan (afb. 1).

Het is een mythe dat voor het gebruik van de hogere opnameresolutie 32- of 64-bits audiobestanden moeten worden opgeslagen. Alhoewel jij zou kunnen, is dit niet nodig omdat de berekeningen in realtime plaatsvinden naar de 16- of 24-bits bestanden. Uiteindelijk doe je een mixdown en de audio die wordt verwerkt met 32 ​​of 64 bits resolutie, in realtime, zal eindigen met 16 of 24 bits resolutie in je leveringsmedium. Hoewel u bij sommige programma’s de 24-bits resolutie van de audio-engine kunt kiezen, heeft dit geen voordelen.

Nauwkeurigheid versus resolutie

Nauwkeurigheid is niet hetzelfde als oplossing. Als uw audio-interface een 24-bits resolutie heeft, heeft deze theoretisch ongeveer 144 dB dynamisch bereik (ongeveer 6 dB per bit). Ook zijn de 16.777.216 waarden in theorie allemaal gelijk verdeeld. Maar in de echte wereld is dat niet waar, omdat 24 bits de technische limieten van analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog converters bereikt. Geen enkele 24-bits converter levert echt 24 bits resolutie. Ruis kan het dynamische bereik verminderen, de lay-out van de printplaat kan interferentie veroorzaken voor signalen op laag niveau, en fabricagetoleranties voor analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog-converters beïnvloeden de nauwkeurigheid.

Deze fouten zijn klein (sommigen zouden onbeduidend zeggen) en de nauwkeurigheid is in de loop der jaren enorm verbeterd, maar houd er rekening mee dat digitale circuits nog niet perfect zijn. Als gevolg hiervan zal een 24-bit-converter waarschijnlijker een real-world resolutie tussen 20 en 22 bits leveren. Oudere 16- en 20-bits interfaces leverden doorgaans respectievelijk 14 en 18 “echte” bits aan resolutie, dus het is de moeite waard om te investeren in een moderne interface met 24-bits conversie.

Bij hogere samplefrequenties Kan Maak een verschil

Professionele studio’s hebben de neiging om hogere samplefrequenties te gebruiken, zoals 96 kHz (sommige nemen zelfs op met 192 kHz). Maar waarom? De overgrote meerderheid van de mensen kan geen enkel verschil horen tussen audio die is opgenomen op 44,1 of 96 kHz.

Er zijn echter enkele omstandigheden waarin hogere samplefrequenties een hoorbare verbetering kunnen opleveren. Het gaat meestal om geluiden die in een computer worden gegenereerd, zoals van virtuele instrumenten of gitaarversterkersimulators. Dit komt omdat hogere frequenties van dit soort geluiden kunnen harmonischen genereren die in strijd zijn met de frequentie van de klok die de samplefrequentie instelt. Dit conflict veroorzaakt een subtiele vorm van vervorming.

(Kanttekening: moderne plug-ins zijn niet zo gevoelig voor dit probleem, omdat ze vaak een proces implementeren met de naam oversampling. Hierdoor werkt een plug-in alsof deze met een hogere samplefrequentie draait.)

De volgende audiovoorbeelden van een virtueel instrument met veel hoogfrequente harmonischen zijn opgenomen op 44,1 kHz, 96 kHz en 192 kHz. Ze werden vervolgens terug omgezet naar 44,1 kHz. Je kunt horen, zelfs wanneer de gegevens zijn gecomprimeerd tot MP3’s, dat de hoge frequenties in de 96 en 192 kHz-versies helderder zijn dan de 44,1 kHz-versie.

Het lijkt misschien contra-intuïtief dat de voordelen van opnemen met hogere samplefrequenties behouden blijven, zelfs wanneer ze worden omgezet naar een lagere samplefrequentie. Dit komt omdat als het instrumentgeluid eenmaal is vastgelegd als audio, in plaats van als virtueel geluid dat binnen een computer wordt gegenereerd, elke mogelijkheid van vervorming als gevolg van een lagere samplefrequentie niet langer relevant is. Audio is audio en 44,1 kHz is perfect in staat om audio te reproduceren.

Bij de meeste programma’s kunt u de samplefrequentie van een 44,1- of 48 kHz-sessie tijdelijk wijzigen in 96 of 192 kHz. Vervolgens kunt u het virtuele instrument of versterkersim-geluid exporteren of bouncen, zoals vastgelegd door de hogere samplefrequentie, en het terug importeren in uw project met een lagere samplefrequentie om de voordelen van opnemen met een hogere samplefrequentie te benutten.

Stahoogte in digitale systemen

Hoewel de audio-engine in uw programma een bijna onbeperkt dynamisch bereik heeft, gaat audio die uw computer in of uit gaat, door hardware. Zelfs moderne audiohardware heeft geen oneindig dynamisch bereik. Overschrijding van het dynamisch bereik produceert vervorming, dus het is een goede gewoonte om er rekening mee te houden hoofdkamer— het niveauverschil tussen de piek van een signaal en het maximale niveau dat een analoog-naar-digitaal-omzetter of digitaal-naar-analoog-omzetter aankan.

Als de pieken van een signaal bijvoorbeeld 0 bereiken op de virtuele meters van uw software tijdens het opnemen, heeft het de beschikbare hoofdruimte van de interface opgebruikt voordat het uw computer binnenkwam. Elke niveauverhoging bij de interface zal resulteren in vervorming (helaas klinkt digitale vervorming harder dan het type vervorming dat wordt geassocieerd met buizenversterkers en de meeste analoge circuits). Aan de andere kant, als de pieken niet hoger zijn dan -6 dB, dan is er 6 dB hoofdruimte voordat de vervorming begint. Bij het opnemen raden veel technici aan om digitale audioniveaus in te stellen op ten minste 6 dB onder 0 (of zelfs lager – piekniveaus van -12 dB of -15 dB zijn gebruikelijk).

Houd tijdens het afspelen de masterfader van een digitale mixer dicht bij 0 en pas de niveaus binnen afzonderlijke kanalen aan om overbelasting te voorkomen wanneer de masteruitgang uw audio-interface voedt voor afspelen. Dit is een betere manier om niveaus te beheren dan de kanaalfaders hoog te houden en vervolgens de masterversterking te verlagen om het uitgangsniveau terug te brengen tot 0 dB (of bij voorkeur iets lager).

Intersample-vervorming en echte piek

Dit is een meer esoterisch concept, maar het is ingebakken in de best practices voor streamingdiensten zoals Spotify.

Bij het mixen is een andere reden om een ​​paar dB hoofdruimte op de masteruitgang te laten, dat de meeste digitale meting het niveau van de digitale audiosamples meet. Het terug converteren van digitale audio naar analoog kan echter leiden tot hogere waarden dan de samples zelf, wat kan leiden tot: intersample-vervorming. Dit type vervorming kan optreden wanneer het afvlakfilter van de digitaal-naar-analoogomzetter de oorspronkelijke golfvorm reconstrueert. Deze gereconstrueerde golfvorm kan een hogere amplitude hebben dan het piekniveau van de monsters, wat betekent dat de golfvorm nu de maximaal beschikbare hoofdruimte overschrijdt (fig. 2). Dit piekniveau heet echte piek. Net als bij normale piekniveaus, wil je niet dat het boven de 0 gaat.

De meeste streamingdiensten vragen om een ​​bestand met -1 of -2 dB voor echte piekmetingen. Dit minimaliseert de kans op vervorming als de streamingdienst gegevenscompressie toepast op uw bestand, zoals het omzetten in een bestand in MP3-indeling.

Over Dithering

We hebben beschreven wat er gebeurt als de niveaus de beschikbare resolutie overschrijden, maar er kunnen problemen optreden wanneer de audio geen lage resolutie meer heeft. Dithering, dat steeds meer een “legacy” proces wordt, dateert uit de tijd dat de beste resolutie die je van digitale audio kon verwachten 16 bits was. Als gevolg hiervan kan audio op zeer laag niveau worden aangetast. Toen audio-engines begonnen met het aannemen van een 24-bits resolutie, gebruikten cd’s nog steeds 16 bits. Om plaats te bieden aan de cd, hebben 24-bits bestanden eenvoudigweg 8 bits resolutie weggegooid wanneer ze werden gemasterd voor cd’s. Dit kan een vervelend, zoemend geluid produceren, maar alleen bij extreem lage niveaus (zoals tijdens de fade-outs van delicate akoestische muziek).

Ter compensatie voegt dithering een gecontroleerde hoeveelheid ruis toe aan de signalen op het laagste niveau die, zonder in te gaan op technische details, het vervelende zoemende geluid inruilt voor een vrijwel onhoorbare hoeveelheid gesis op de achtergrond. Houd er echter rekening mee dat deze signalen van zeer laag niveau meestal toch worden gemaskeerd in normale luisteromgevingen.

U hoeft dithering alleen toe te passen wanneer u probeert audio met een hogere resolutie over te zetten naar een bestandsformaat met een lagere resolutie. Praktisch gesproken is dit van belang als uw gemengde bestand 24 bits is, maar moet worden gemasterd naar een resolutie van 16 bits voor cd. Anders is dither niet langer een cruciaal probleem, vooral omdat de meeste pop sowieso een beperkt dynamisch bereik heeft.

Als er keuze is uit trillende ruis, kies er dan een met gevormde ruis. Dit creëert de voordelen van standaard dithering, maar met minder waargenomen ruis … ervan uitgaande dat je zelfs iets op dat lage niveau kunt horen.

Lees hier meer over Dithering!

Hé, weet je nog cd’s?

Gewoon om te laten zien hoe ver digitale audio is gekomen, toen cd’s voor het eerst verschenen, hoewel de cd zelf een 16-bits resolutie gebruikte, gebruikten de spelers zelf vaak 12-bits converters om de kosten te verlagen. Om de hierboven gegeven redenen leverden ze slechts 10 bits of zo “echte” conversie. Dus toen mensen voor het eerst cd’s hoorden en het geluid niet leuk vonden, was het niet verrassend. Geen enkele zichzelf respecterende opnamestudio zou een resolutie van 10 bits voldoende vinden.

Maar daar hoeven we ons geen zorgen meer over te maken: met 24-bits resolutie, audio-engines met steeds hogere resolutie en 96 kHz samplefrequenties voor degenen die een stap boven 44,1/48 kHz willen, zijn we verzekerd voor hoogwaardige geluid. Een van de ironische eigenschappen van de huidige digitale audiotechnologie is dat deze zo geavanceerd is geworden dat de analoge geluidskwaliteit met uitzonderlijke nauwkeurigheid kan worden nagebootst, maar zonder de nadelen.

Meer weten over digitale audio? Bekijk hier deel #1 van deze tweedelige serie.

Muzikant/auteur Craig Anderton is een internationaal erkende autoriteit op het gebied van muziek en technologie. Hij speelde op, produceerde of beheerste meer dan 20 grote labelopnames en honderden nummers, schreef 45 boeken, toerde uitgebreid in de jaren 60, speelde Carnegie Hall, werkte als studiomuzikant in de jaren 70, schreef meer dan duizend artikelen, gaf lezingen over technologie en de kunsten (in 10 landen, 38 staten van de VS en drie talen), en deed geluidsontwerp en advieswerk voor tal van bedrijven in de muziekindustrie. Hij is de huidige voorzitter van de MIDI Association www.craiganderton.org.

Wil je meer tips direct in je inbox ontvangen? Schrijf je hier in op onze nieuwsbrief.