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非线性电平的解决办法
  在转换曲线上研究信号电平时,我们经常能够发现数字信号的电平曲线是非线性的,在这种情况下,可以通过使用一个人耳听不到的高频信号(称为偏磁)来解决问题。  
 

  赛因技术:研究和解决这个问题的一个好办法就是使用一个转换坐标——一种能将输入信号电平与输出信号电平联系起来的图表。比如,一根音频线能够将输入部分的电平改变直接传送输出,曲线成完整的线性,所以坐标图显示的是一条成45°的直线。但是一个数字音频系统可绝不是线性的——随着输入信号电平的增加,输出信号却在突然跳到下一个电平之前固定在一个量化电平上。因此,转换曲线看上去就像一个楼梯而不是理想的直线。

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  模拟磁带录音也会遇到一个相似的非线性问题,因为磁带的性能也不是很好。但是,在这种情况下,可以通过使用一个人耳听不到的高频信号(称为偏磁)来解决问题,这个信号可以使磁性特征趋向于线性。数字音频系统也采用了类似的方法,通过使用一个听不见的信号(称为抖动)来产生线性的转换特征。

  抖动其实是很少量的白噪声(在幅度上与一个量化电平相等——在16比特的系统中大约是低于峰值的90dB处),人们故意地把它加在模拟音频信号中以便进入模数转换器。再来看转换坐标图,这个抖动噪声能够有效地填补转换曲线的[在赛因网搜索更多结果>>]间,这样在噪声曲线中就能画出一条直线。如果用这种方法进行正确的抖动,那么数字系统就会呈现出明显的线性特征,但总会有少量的噪声存在——它们的幅度随着每条量化带上输入信号电平的增加而上升或下降。

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  随着输入信号的逐渐减弱,它的失真不再增加,但信号仍然准确清晰,甚至会在平滑的背景咝音下减弱——就像模拟系统那样。抖动是一个很复杂的题目,其实它与数字数据分配有关。因此,抖动种类的不同是从数据角度来说的。虽然有时人们偶尔会用很多种抖动,但最常用的叫做TDDF(三角分配抖动功能)。

  抖动与其他能在模数转换器上调整的功能不同——制造者在设计设备的时候就定好了适宜的抖动电平。需要注意的是,抖动是转换过程中非常重要的一方面,就像磁带中的偏磁一样。此外,抖动在调整数字字长度时也起着重要作用,比如在像CD这样16比特的格式上减少20比特的主录音。这时用户可以改变所使用的抖动的种类和数量。

  抖动最重要的一方面是它的数据性特点,常见的是抖动信号的频响经过修改(不改变其数据性)用于弥补人类听觉系统自然灵敏度的变化。通过在中段频率减少抖动信号的幅度,再将它推到非常高或非常低的位置,抖动信号的平均电平不变,但是它在我们听觉最灵敏的中段频率中却听不到。因此被感知的噪声底限就会降低。这就是有些制造商宣称可以做出和20比特的系统一样安静的16比特的系统,其实他们使用的测量性能和其他16比特的系统都是一样的。

数字动态余量和测量

  在模拟录音领域中,我们已经习惯了有一个名义上的工作电平——比如0VU或+4dBu——但其实信号有时可以超过这个值,超过的部分叫做动态余量。比如在一个模拟磁带录音机上,信号电平可以大大超过名义上的基本电平,随着磁带开始变得饱和,它也会变得越来越失真,但还是可以接受的(有时甚至需要这样的效果)。

  数字系统没有这样的动态余量——量化电平从头到尾都是平均地分配的,然后才会停止。因此,需要通过限定和调整系统来产生一个适量的动态余量,这样才能使工作电平低于最大峰值电平。这会让模拟的测量以某种方式与数字录音机上的录音电平联系起来。

  问题出在选择合适的数字工作电平上,它要与常用的模拟工作电平(+4dBu或0VU)相同。对一个数字录音测量最重要的部分就是真正的峰值电平,即使是最短的瞬变信号也是如此。可惜,VU表只能读出平均信号电平,即使是模拟峰值程序表也无法对最快的瞬变信号做出反应(这确实需要深思熟虑,还要避免假录制,因为在模拟系统中短暂的瞬变信号超载是听不到的)。

  数字的工作电平有很多标准。我们曾经提到的视频数字录音机采用的是-15dBFS(低于全标度15dB)来与+4dBu(0VU)或相一致。欧洲广播联盟公布了一个非常类似的标准:-18dBFS与0dBu相对应(也就是说-14dBFS相当于+4dBu)。美国常使用的是-20dBFS。这些标准的基础都是16比特的格式,这使得原始的录音在绝对信号电平方面有很大的不确定性。

  如果音频材料经过了严格的处理(比如在后期制作过程中,或者力度处理更为复杂时),那么小一些的动态余量就可以安全使用了——比如说-10dBFS甚至更少。最后,如果已知了音频材料的绝对峰值电平,商业版的材料一般将峰值控制在0dBFS(也就是说根本没有动态余量)。当所使用的转换器的分解度大于16比特时,一些录音师会扩展动态余量的[在赛因网搜索更多结果>>]间。我个人认为使用低一些的噪声底线更好一些,所以我用20或24比特的系统工作时肯定会使用15或20dB的动态余量。应尽可能地避免数字剪切,这样才能使大多数数字测量表拥有接近峰值电平的扩展范围。所有的数字测量表在每一轨都有超载指示灯,但有些设备的灯只有在一定数量的连续峰值的采样之后才会亮起来。

  常见的做法是使一个数字信号尽可能地达到峰值——理论上只需达到音频材料最高部分的最大量化电平。在这种情况下,一个峰值电平信号根本就不是超载,所以如果看到超载指示灯亮起很可能导致误解。但一个非常高的高频信号(比如15kHz左右),在一个循环过程中可能只能够抓取到三、四个采样,也可能它们中只有一个超过了峰值量化的电平。在这种情况下,超载指示灯只需在那个达到峰值电平的采样上亮起,因为它代表了一个真正的超载。事实上大部分音频材料高频部分的能量都很低,中、低频率部分的超载涉及到大量的连续峰值电平采样。 因此,超载指示是一个复杂的问题,一般的折衷办法是指示灯只在三、四个连续峰值电平采样之后亮起(这是由最初的CD主控录音机所确立的标准)。因此它不会被有效的峰值电平信号错误地激发,只会显示真正的中、低频超载(但只有非常大的高频信号能够记录下来)。


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