Basisprincipes van digitale audio #1: wat u moet weten

Begrijpen hoe digitale audio werkt, inclusief samplefrequentie, bitdiepte en AD-conversie, kan zorgen voor een soepele opname-ervaring. Ontdek wat u moet weten!

Door Craig Anderton

Dit is het eerste stuk in een tweedelige serie over de basisprincipes van digitale audio. Lees hier deel #2.

Digitale audio heeft het mogelijk gemaakt om met goedkope computers en software hoogwaardige muziekproducties te maken. Verbazingwekkend genoeg is de slaapkamerstudio van vandaag sonisch gelijk aan de studio’s van een kwart miljoen dollar van weleer (en soms zelfs beter).

Maar samen met verbeterde technologie heeft digitale audio nieuwe concepten en termen geïntroduceerd – en het is belangrijk om ze te begrijpen om de beste resultaten uit uw opnamen te halen. In deel 1 van deze tweedelige serie bespreken we hoe digitale audio werkt. In deel 2 bespreken we best practices, zodat u het meeste uit digitale opnamen kunt halen.

1. Audio op nummer

Alle audio – zelfs een symfonieorkest – is een enkele geluidsgolf met een variërend niveau. De groef van een vinylplaat vangt de vorm van die golf, en de naald van een draaitafel trilt als hij de golf volgt. Door die trillingen te versterken, wordt geluid geproduceerd door de oorspronkelijke golfvorm te reproduceren.

Maar analoge audio heeft beperkingen. Platen slijten, stof en krassen tasten de geluidskwaliteit aan, en draaitafelnaalden en vinylplaten hebben fysieke beperkingen die het moeilijk maken om geluid nauwkeurig weer te geven.

Digitale audio lost deze problemen op door gebruik te maken van een apparaat genaamd an analoog-digitaalomzetter om audio tijdens het opnemen in getallen om te zetten. Bij afspelen, a digitaal-analoogomzetter zet de nummers weer om in audio. Getallen zijn niet onderhevig aan dezelfde soort fysieke achteruitgang als een analoge golfvorm. Audio die wordt uitgedrukt als getallen kan worden gekopieerd, overgedragen, gewijzigd en zelfs gekloond zonder degradatie. Fig. 1 toont het proces dat audio omzet in getallen en vervolgens weer in audio.

1A is de originele analoge golfvorm. In 1B maakt de analoog-naar-digitaalomzetter om de paar microseconden (1/1.000.000ste van een seconde) een “momentopname” van het signaalniveau. Het aantal metingen dat de omvormer elke seconde doet, is de steekproeffrequentie:, ook wel bemonsteringsfrequentie genoemd. In 1C vertaalt de computer deze reeks snapshots, of samples, in spanningsniveaus (dwz getallen) die de niveauvariaties van het signaal vertegenwoordigen. De audio is nu bevroren in een reeks cijfers. Sterker nog, deze getallen kunnen wiskundig worden gemanipuleerd in een digitaal audiobewerkingsprogramma om niveaus te wijzigen, speciale effecten zoals vertraging toe te voegen, enzovoort.

We kunnen niet naar getallen luisteren, dus in 1D zet de digitaal-naar-analoog-omzetter de digitale gegevens terug naar een reeks spanningsniveaus. Er zijn echter extreem kleine stappen wanneer de niveaus veranderen, dus een laatste afvlakfilter rondt de stappen af ​​om de oorspronkelijke analoge vorm van de golfvorm te herstellen.

Hoewel dit misschien ingewikkeld lijkt in vergelijking met analoge audio, zijn er verschillende voordelen. In tegenstelling tot het opnemen op band, verslechteren nummers die op een computer zijn opgenomen niet. Met digitale opname, wanneer het tijd is om af te mixen, mix je af nummers naar stereo of surround, waardoor een andere reeks cijfers ontstaat. De stereomix vertegenwoordigt dus precies wat je hoorde toen je het nummer mixte. Vervolgens kunt u die digitaal gemengde reeks getallen via internet streamen, naar het geheugen van een smartphone kopiëren, de bits in een Compact Disc drukken, enzovoort. Een transfer is niet zomaar een kopie van het originele geluid, maar een kloon.

2. Digitale audiohardware

Om te converteren tussen analoog en digitaal is een apparaat nodig met de naam an Audio interface. Geluidsbronnen zoals microfoons en gitaren produceren analoge audio, en na te zijn gedigitaliseerd, zullen we de audio niet horen totdat deze weer analoog wordt.

Audio-interfaces bevatten de converters die analoog naar digitaal en weer terug naar analoog vertalen. Gelukkig zijn de productieprocessen voor digitale audio zo goed geworden dat zelfs goedkope audio-interfaces een kwaliteitsniveau bereiken dat in de begindagen van digitale audio ondenkbaar was. Duurdere interfaces hebben functies zoals microfoonvoorversterkers van hogere kwaliteit en premium analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog converters. Maar er is een punt van afnemende meeropbrengsten. Een audio-interface van $ 1.000 zal waarschijnlijk beter klinken dan een interface van $ 100, maar het zal vrijwel zeker niet tien keer beter klinken.

3. Opnameresolutie

Het samplen van audio en het meten van de niveaus is een begin, maar die metingen moeten zo nauwkeurig mogelijk zijn. Bitresolutie specificeert de nauwkeurigheid waarmee een analoog-naar-digitaal omzetter een ingangssignaal meet.

Een goede analogie is de kalibratie van een liniaal. Een liniaal die in inches is gekalibreerd, kan slechts inches met zekerheid meten, maar een liniaal die in zestienden van een inch is gekalibreerd, kan de lengte meten met een 16 keer betere resolutie. Een liniaal gekalibreerd in dertig seconden van een inch is nog nauwkeuriger.

Bij digitale audio meet elke sample het niveau van een signaal op dat moment. Hoe nauwkeuriger de meting, hoe nauwkeuriger de conversie van analoge audio naar digitale gegevens en hoe beter de resolutie. Resolutie hangt af van het aantal bits, die een basis hebben in binaire wiskunde. Het is niet nodig om te weten hoe dit werkt om muziek op te nemen, maar laten we het concept van meten met een liniaal opnieuw bekijken.

Beschouw bitresolutie als het specificeren van de kalibraties voor het meten van digitale audiosignalen – meer bits zou zijn als meer kalibratiemarkeringen op een liniaal. 4 bits kunnen 16 verschillende waarden meten, dus het zou zijn als het meten van zestienden van een inch. De 16-bits resolutie van een cd kan 65.536 waarden meten en 24 bits kunnen 16.777.216 waarden meten. In theorie kunnen 24 bits niveaus meten met een 256 keer grotere nauwkeurigheid dan 16 bits.

De resolutie varieert tussen audiosystemen. Een hogere resolutie vereist meer geheugen om grotere aantallen op te slaan, evenals nauwkeurige analoog-naar-digitaal-conversie om te profiteren van de hogere resolutie. Omdat geheugen en hoogwaardige converters goedkoper zijn geworden, is apparatuur over het algemeen aangetrokken tot hogere bitresoluties.

Een audiowenskaart kan bijvoorbeeld audio hebben met een resolutie van slechts 4 bits. Vroege digitale audiosystemen gebruikten 8 bits. 12-bits samplers waren gebruikelijk en 12 bits werd beschouwd als de minimaal acceptabele resolutie voor het werken met digitale audio. Cd’s gebruiken een 16-bits resolutie en audio met hoge resolutie gebruikt een 24-bits resolutie. De audiovoorbeelden tonen de verschillen tussen verschillende resoluties.

Hoewel een 24-bits bestand 50% meer opslagruimte nodig heeft dan een 16-bits bestand (ervan uitgaande dat beide dezelfde samplefrequentie hebben), geven opnametechnici de voorkeur aan 24-bits opnemen boven 16-bits opnemen. Met de steeds dalende geheugenkosten kunnen thuisstudio’s het zich veroorloven om met 24-bits resolutie te werken – de dagen van een harde schijf van 1 GB die $ 2.000 kostte (ja, dat was echt waar!) liggen ver achter ons.

4. Vervorming en bitresolutie

Als je een signaal niet nauwkeurig kunt meten, kun je het ook niet nauwkeurig reproduceren, dus lage bitresoluties kunnen vervorming veroorzaken. In tegenstelling tot vervorming in de fysieke wereld (die de neiging heeft toe te nemen bij hogere signaalniveaus), neemt digitale vervorming echter toe met lager signaalniveaus omdat er minder bits beschikbaar zijn om het niveau te meten (fig. 2).

Gelukkig is er een techniek genaamd drijvende-komma wiskunde kan dit in een non-issue veranderen door de resolutie voor audio op een lager niveau in wezen uit te breiden. Ook een techniek genaamd dithering (beschreven in deel 2) kan de waargenomen hoeveelheid vervorming bij het afspelen verminderen. Het belangrijkste is dat de audio in je programma niet gebonden is aan hardwareregels en een in wezen onbeperkte resolutie kan hebben wanneer het in de computer wordt verwerkt.

5. Bemonsteringsfrequentie:

Als het systeem niet snel genoeg monsters van het signaalniveau neemt, is het moeilijker om een ​​signaal nauwkeurig te reproduceren. Audio voor cd’s wordt gesampled op 44,1 kHz, wat betekent dat het systeem de audio 44.100 keer per seconde samplet. Dit is het minimum dat nodig is om frequenties van 20 Hz tot 20 kHz (het maximale bereik van het menselijk gehoor) te reproduceren.

Het nadeel is dat hogere samplefrequenties meer opslagruimte vereisen en het aantal tracks dat u voor een bepaalde hoeveelheid rekenkracht kunt opnemen, kan beperken. De meeste opname-enthousiastelingen gebruiken 44,1 kHz of 48 kHz, twee standaard bemonsteringsfrequenties, voor hun projecten. Als u over de benodigde rekenkracht en opslag beschikt, volgt opnemen op 96 kHz de huidige standaard voor opnamefaciliteiten op hoog niveau. Maar in de meeste gevallen is het niet nodig. We zullen een uitzondering behandelen in deel 2.

Sommige audio gebruikt lagere bemonsteringsfrequenties, zoals 22.050 kHz of zelfs 8 kHz. Deze lagere samplefrequenties zijn bedoeld voor toepassingen zoals dicteren. Zoals je in de volgende audiovoorbeelden zult horen, is 11 kHz niet zo goed als 44,1 kHz en is 6 kHz totaal ongeschikt voor muziek.

6. Digitale audiokwaliteit

Het klinkt allemaal perfect, toch? Nou… verschillende factoren kunnen de kwaliteit beïnvloeden. Meestal hebben compromissen te maken met kosten – goedkope analoog-naar-digitaal-converters doen er bijvoorbeeld niet toe in speelgoed dat geluid maakt, maar ze zijn wel van belang als je muziek opneemt. Een andere afweging is de bestandsgrootte. De nummers die door digitale opname zijn gemaakt, moeten in het geheugen worden opgeslagen en door een computer worden verwerkt. Een data-gecomprimeerd formaat zoals MP3 verruilt bestandsgrootte voor kwaliteit, zodat downloads van internet minder tijd kosten, maar niet zo goed klinken als bestanden die niet gecomprimeerd zijn. In deel 2 bespreken we best practices om maximaal te profiteren van digitale opnamen.

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.

Meer weten over Ditheren? Dit is wat u moet weten!

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