Posts

Rezolutiile inregistrarilor digitale. 16 bit 44.1 KHz sau 24 bit 48 KHz?

Ca sa intelegi mai bine ce reprezinta aceste date tehnice ale unui semnal digital, am sa explic intr-un mod mai tehnic un pic dar sper sa fie totusi pe intelesul tuturor. Merita sa faci un efort sa intelegi, pentru ca vei stii ce setari sa alegi pentru inregistrare, si pentru formatul final al unei inregistrari, dupa prelucrare, vei stii prin ce procese trece semnalul de-a lungul lantului audio, alegand calea optima a semnalului pentru o calitate cat mai mare.

Cu totii vrem inregistrari de calitate, insa cu toate acestea, prea putini inteleg ce se intampla in spatele unor setari ale unui mediu digital de inregistrare si redare audio. Si daca nu facem setarile cele mai bune/optime, nici nu putem obtine totdeauna calitate maxima a inregistrarii.

Semnalul poate fi analogic si transformat in semnal digital, dar poate fi si generat direct digital de echipamente dedicate cum sunt sintetizatoarele digitale de exemplu. In acest articol am sa scriu despre semnalele analogice convertite in semnale digitale si ulterior inapoi in analogice.

Microfonul are rolul de a transforma undele sonore in semnale electrice. In functie de variatia in frecventa si intensitate a semnalului audio, si semnalul electric generat de microfon va varia ca frecventa si intensitate, proportional. Ne referim aici la domeniul audio de frecvente, care este 20 Hz – 20.000 Hz. In mod similar si doza electromagnetica de pe o chitara transforma semnalele primite de la corzi in semnale electrice.

Intr-un sistem audio analogic, semnalul electric ce vine de la microfon sau doza urmeaza a fi amplificat la nivel de linie, apoi urmeaza a fi prelucrat, si inregistrat pe un mediu analogic (banda de magnetofon de exemplu) sau amplificat pentru redare (in cazul unui concert, sau pentru monitorizare).

Intr-un sistem audio digital, sau care contine tronsoane/echipamente digitale, semnalul analogic trebuie convertit in semnal digital. Semnalul digital se prelucreaza sau se inregistreaza, dupa care e converteste din nou in semnal analogic pentru a fi amplificat pentru redare.

Conversia semnalului analogic in semnal digital se face cu un convertor Analog-Digital (AD).

Conversia semnalului digital in semnal analogic se face cu un convertor Digital-Analog (DA).

Pentru a intelege conversia semnalului analogic in semnal digital si invers, ma voi folosi de graficul semnalului analogic – pe un osciloscop se poate vedea semnalul in mod grafic. La fel poti vedea grafic un semnal digital, in modul de editare din DAW-ul tau.

rezolutia semnalului analogic digital osciloscop conversie esantionare adancime bitiPe un osciloscop poti observa ca semnalul analogic este reprezentat ca o linie continua, chiar daca variaza ca si frecventa si ca amplitudine in timp, insa este continuu, neintrerupt. Convertorul analog-digital va analiza acest semnal continuu, si il va transforma in semnal discontinuu, adica intrerupt, prin inregistrarea de esantioane la intervale egale de timp.

Din acele esantioane, la redare semnalul va fi reconstituit de convertorul digital-analog, cu aproximatie, in semnal continuu. Doua proprietati ale semnalului analogic se iau in evidenta: frecventa si intensitatea.

Pentru ca un semnal analogic sa poata fi reconstituit din cel digital, numarul de esantioane inregistrate intr-o unitate de timp (de exemplu secunda) trebuie sa fie minim dublul frecventei maxime a semnalului inregistrat. Asadar, pentru spectrul audio, care este 20 Hz-20.000 Hz, avem nevoie de minim 40.000 de esantioane pe secunda ale semnalului, pe care le inregistram pe mediul digital. Daca sunt mai multe, cu atat mai bine, pentru ca inseamna ca mediul este capabil sa inregistreze si sa redea o gama si mai larga de frecvente. Frecventa standard de esantionare a semnalului pentru formatul unui CD audio este 44,1 KHz (adica 44.100 esantioane pe secunda). Asadar putem inregistra si reda semnale audio de pana in 22.500 Hz pe formatul CD audio.

Pentru conversia semnalului analogic in semnal digital mai avem nevoie sa inregistram si intensitatea fiecarui esantion, adica cat de puternic sau slab este semnalul in acel moment in care s-a inregistrat esantionul. Semnalul audio variaza ca intensitate, are o dinamica, nu este un semnal constant ca intensitate. Asadar pentru fiecare esantion vom avea o valoare diferita a intensitatii semnalului din acel moment in care se ia esantionul. Procesul se numeste cuantizare.

O scurta paranteza introductiva pentru ce urmeaza: daca ai observat vreodata un difuzor, ai vazut ca membrana sa se poate deplasa si inspre afara si inspre inauntru in egala masura, adica ea are o pozitie de mijloc in care este in repaus, si in functie de semnalul de la bornele sale, poate sa iese in afara, sau sa intre inauntru. Putem spune ca semnalul audio, fata de pozitia zero, ia valori pozitive si negative.

In mod similar, si esantioanele din mediul digital pot avea ca intensitate valori positive si negative, urmarind variatia semnalului analogic, care ia si el valori pozitive sau negative fata de pozitia zero (in care difuzorul este in repaus) in functie de aceasta variatie, la redare si membrana difuzorului se va deplasa proportional.

Intensitatea semnalului analogic de linie, va avea o valoare maxima a intensitatii sale, care in domeniul amatorilor este de 0,447 V, iar in domeniul profesional este 1,736 V. Asadar, de la un varf pozitiv la unul negativ (+0,447V si -0,447V), avem pentru domeniul amatorilor 0,894 V iar pentru cel profesional 3,472 V. Aceste valori maxime sunt utile pentru compatibilitatea dintre echipamente, stabilind standardul pentru semnalele de linie.

Revenind la intensitatea fiecarui esantion, aceasta se inregistreaza in domeniul digital ca un numar pozitiv sau negativ, mai mare sau mai mic, in raport cu nivelul zero la care nu avem semnal deloc (cazul ca difuzorul din exemplu este in repaus). Avem de convertit prin urmare un semnal electric a carui valoare maxima este valoarea semnalului de linie. Cu cat vom aloca o plaja mai mare de astfel de numere, va creste acuratetea cu care este convertit semnalul. Intre zero si 1.736 V, semnalul analogic poate lua in timp, un numar infinit de valori. Mediul digital limiteaza acest numar la unul finit – cu cat mai mare, cu atat mai bine. Standardele pentru plaja de valori ce le poate lua semnalul electric audio sunt numere intregi cu semn (pozitive sau negative) reprezentate in mediul digital, pe un anumit numar de biti.

De exemplu, pe 2 biti se pot reprezenta 22=4 numere. Pe 3 biti putem reprezenta 23=8 numere, pe 4 biti putem reprezenta 24=16 numere, si creste exponential. Standardul pentru formatul CD audio este 16 biti, asadar vom putea reprezenta intensitatea esantioanelor, pe o plaja de 216=65.536 valori. Fiind cu semn, adica si valori pozitive si negative la un loc, rezulta ca vom avea 32.768 valori negative, valoarea zero, si 32.767 valori pozitive, in total cele 65.536 valori.

Pentru fiecare bit adaugat, dinamica semnalului inregistrat va creste cu cate 6 dB.

Evident, semnalul analogic va avea intensitati de valori cuprinse si intre doua numere consecutive din aceasta plaja, acestea la conversia in digital se vor aproxima la cea mai apropiata valoare ce se poate reprezenta in mediul digital. Aceasta aproximare, rotunjire, se numeste zgomot de cuantizare. De aici si pierderea de calitate in momentul conversiei, cel putin al nivel teoretic, pentru ca in practica, cred ca cu totii am ascultat muzica de pe CD-uri audio originale care suna bine sau foarte bine, asadar, desi exista acest neajuns al mediului digital, in practica urechea umana nu simte aceste diferente. In anumite conditii, totusi, se pot auzi diferentele, daca ai un sistem audio foarte performant (si scump), in conditii excelente de auditie, vei auzi aceste neajunsuri, vei dori ceva mai calitativ, mai aproape de analogic sau chiar analogic. Insa cum majoritatea oamenilor in ziua de azi asculta muzica in format mp3, cu siguranta nu putem spune despre formatul CD audio ca suna prost, din moment ce este mult mai calitativ decat cel mp3. Da, exista si formate digitale mai calitative, si vom vorbi si despre ele.

Rata de esantionare (numarul de esantioane luate intr-o secunda din semnal) si adancimea in biti (numarul de biti) ne dau impreuna rezolutia sistemului audio. Spunem despre formatul CD Audio ca are deci o rezolutie de 44,1 KHz/16 biti, si o dinamica de 96 dB.

4-bit-linear-PCM

Sursa imaginii: wikipedia.org

 

Un semnal analogic (cel rosu) convertit pe 4 biti PCM in esantioane digitale (cel albastru); adancimea in biti este 4, asadar amplitudinea fiecarui esantion este una din cele 16 valori posibile (24=16). In imaginea-exemplu de mai sus, avem 23 esantioane – punctele albastre. In mod similar, pentru formatul CD audio, semnalul analogic se converteste pe 16 biti (216=65.536 valori in loc de 24=16 valori cate sunt in acest exemplu) si din semnal se inregistreaza si se convertesc 44.100 esantioane intr-o secunda de semnal audio (44,1 Khz), fata de 23 de esantioane cate avem aici in imaginea-exemplu. Acum sunt convins ca ti-ai facut o idee cam ce e pe un CD audio ca mod de stocare a datelor 🙂 .

Chiar daca urechea umana aude pana in 20.000 Hz (20 KHz), formatul CD audio permite inregistrarea semnalelor pana in 22.500 Hz, ceea ce ajuta ca inregistrarea sa sune mai bine datorita unor frecvente armonice pe care desi nu le auzim, ele sunt acolo si contribuie la acuratetea semnalului audio. Ai sa vezi pe datele tehnice ale unor sisteme audio deseori valori peste cei 20 KHz cat aude urechea umana. Ca o paranteza, odata cu avansarea in varsta, auzul uman se deterioreaza, si nu mai percepe chiar pana la 20 KHz, ci tot mai putin. Iar pe langa inaintarea in varsta mai sunt si alti factori care efecteaza auzul, cum ar fi expunerea frecventa la volume mari timp indelungat (cluburi), mediul de viata zgomotos (bulevarde aglomerate, santiere, etc).

Pentru a creste plaja de frecvente ce poate fi inregistrata pe un sistem digital, avem nevoie sa crestem rata de esantionare. Astfel ai sa gasesti in practica aparate care pot inregistra si reda formate audio de 48 KHz, 96 KHz, sau chiar 192 KHz.

Plaja dinamica a formatului, fiind exponentiala, aproape de linia de zero, unde semnalul este mic, avem de a face cu zgomot de fond mare. Pentru ca nivelul de linie maxim al semnalului analogic este acelasi, adica 0,447 V pentru domeniul amatorilor si 1,736 V pentru cel profesional, in sus nu putem creste dinamica marind adancimea in biti, insa putem mari dinamica in jos, asadar pe 24 biti sau 32 biti, semnalul va avea o dinamica mult mai mare, si pentru ca zgomotul de fond se afla pe primii biti de dinamica (din ce 16 de la CD audio de exemplu), iar pe 24 sau 32 biti putem folosi mai multi biti pentru semnalul util, stiind ca tot cam acelasi numar de biti, primii biti, vor fi pentru zgomotul de fond. Rezulta zgomot de fond mult mai mic si dinamica mai mare pe 24 biti sau pe 32 biti.

Odata cu cresterea rezolutiei, creste calitatea semnalului inregistrat/convertit, insa avem si cateva dezavantaje. Unul dintre ele este ca avem nevoie de putere mai mare de procesare a semnalului la conversie si la redare. Un alt dezavantaj este ca semnalul digital inregistrat astfel, va ocupa mai mult spatiu pe mediul de stocare. Inca un dezavantaj este ca ai nevoie de echipamentul care sa suporte aceste rezolutii si la inregistrare si la redare, ceea ce nu este tot timpul la indemana.

Daca ai tot ce este nevoie ca sa treci peste aceste neajunsuri, cand inregistrezi in DAW si lucrezi la o melodie, e bine sa alegi minim 48 KHz/24 biti, este un format decent, rezonabil, si optim din punct de vedere al raportului avantaje/dezavantaje. Daca poti, foloseste 32 biti. Ai sa vezi intr-un articol urmator mai multe detalii despre alegerea formatului la inregistrare.

Exista inregistrari decente din anii ’80, realizate in mediu digital, si e greu sau imposibil sa auzi diferente intre 44.1 KHz si cele facute la 48 KHz, asa cum e greu sau imposibil sa auzi diferente intre cele realizare strict analogic si cele realizare cu ajutorul echipamentelor digitale din acei ani. Chiar am un disc de vinyl pe care sunt unele piese inregistrate, mixate si masterizate analogic, altele inregistrate, mixate si masterizate digital. Suna la fel de bine, si suna chiar foarte bine. Iti dai seama ca acum noi avem acces la echipamente cel putin la fel de performante cum erau pe atunci doar in studiouri scumpe, noi acum le avem acasa, de exemplu o interfata de sunet cu convertoare si preamplificatoare de calitate, astfel incat putem obtine rezultate cel putin la fel de bune daca stim sa le folosim. Iar intelegerea rezolutiilor mediilor digitale este un pas important spre a iti folosi eficient interfata audio.

Semnalul convertit din analog in digital, este stocat pe mediul de stocare digital (SSD, HDD, CD, DVD, BD, etc). Copierea ulterioara a fisierelor in format wav, mp3 sau altele, de pe un mediu digital pe altul, se face fara pierdere de calitate, si se paote multiplica in oricat de multe exemplare la aceeasi calitate. Aici nu vorbim de formatul CD audio, sau DVD-audio, ci vorbim de copierea de fisiere reprezentand formatele audio.

Pentru a putea fi redat ulterior, acest semnal ce se gaseste in fisierele wav sau mp3, sau alte formate, sau pe formatele CD-audio sau DVD-audio, acesta trebuie convertit in semnal analog, apoi amplificat pentru a putea fi redat de difuzoare. Din semnalul discret inregistrat in format digital, la redare se va aproxima semnalul continuu, acesta evident ca nu mai este FIX ca cel analogic initial, ci aproximativ. Aproximarea se face destul de bine in sensul ca urechea umana in general, nu sesizeaza diferente prea mari. Si aici, o ureche educata poate face diferenta.

Din cauza acestor conversii si aproximari ale semnalului de-a lungul conversiilor, pentru a pastra fidelitatea unui semnal audio trebuie sa evitam sau sa reducem la minim pe cat posibil conversia lui. Scriu asta pentru ca am vazut cazuri cand se fac conversii inutile din analog in digital sau invers, si se puteau evita.

Te provoc sa asculti diferentele cu urechile tale, inregistreaza un semnal audio analog la diferite rezolutii si apoi asculta diferentele intre cel analogic si cele digitale precum si intre cele digitale de rezolutii diferite intre ele.

Articolul urmator va completa aceasta intruducere in lumea conversiilor AD si DA, ai sa vezi de ce e bine sa inregistram la rezolutii mari chiar daca rezultatul final va fi la rezolutie mica (mica inseamna CD audio, nu mai mica de atat).

Cu drag,
Armin