Teoрия семплироваания

Appearance

«Алиасинг — один из самых коварных видов цифровых искажений. Пока не знаешь, как он работает, легко обвинить в плохом звуке эквалайзер, компрессор или даже мониторы.»

🎯 После этой главы вы сможете ​

  • понять природу алиасинга;
  • увидеть, почему появляются ложные частоты;
  • разобраться, почему EQ не исправляет алиасинг;
  • понять назначение oversampling;
  • научиться замечать алиасинг в своих проектах.

Что такое алиасинг? ​

Представьте, что вы фотографируете быстро вращающееся колесо автомобиля.

Иногда на видео кажется, что колесо:

  • вращается медленнее;
  • остановилось;
  • вращается назад.

Но колесо не меняло направление.

Это ошибка измерения.

Камера делает слишком мало кадров в секунду.

Со звуком происходит абсолютно то же самое.

Если цифровая система измеряет сигнал недостаточно часто, появляются ложные частоты, которых в оригинальном сигнале никогда не существовало.

Это явление называется алиасингом (Aliasing).

Почему возникает алиасинг? ​

Вспомним теорему Найквиста–Шеннона.

Если максимальная частота сигнала превышает половину частоты дискретизации, система уже не может корректно её представить.

Например:

Sample Rate = 44.1 кГц

↓

Частота Найквиста = 22.05 кГц

Любая энергия выше 22,05 кГц не может быть записана напрямую.

Она "отражается" обратно в слышимый диапазон.

Что значит «отражается»? ​

Представьте зеркало.

Если бросить мяч в зеркало, он не пролетит сквозь него.

Он вернётся обратно.

С частотами происходит похожий процесс.

Допустим, после сатурации появилась гармоника:

25 кГц

Но система работает на:

44.1 кГц

Частота Найквиста:

22.05 кГц

Эта гармоника окажется выше допустимого предела.

Поэтому система "отразит" её обратно.

Получится новая ложная частота примерно:

19.1 кГц

Хотя в исходном сигнале её не было.

Почему это плохо? ​

Самая неприятная особенность алиасинга заключается в том, что новые частоты не связаны гармонически с исходным сигналом.

Они создают:

  • цифровую резкость;
  • неприятный металлический оттенок;
  • "песок" на верхах;
  • ощущение дешёвой цифровой обработки.

Особенно хорошо это слышно при сильной сатурации, дисторшне или wavefolding.

Где появляется алиасинг? ​

Многие думают, что алиасинг возникает только при записи.

На самом деле гораздо чаще он появляется во время обработки.

Например:

  • сатураторы;
  • дисторшны;
  • клипперы;
  • wavefolder;
  • bitcrusher;
  • некоторые синтезаторы;
  • нелинейные компрессоры;
  • генераторы гармоник.

Любая нелинейная обработка создаёт новые гармоники.

Если они выходят выше частоты Найквиста, возникает алиасинг.

Почему эквалайзер не помогает? ​

Это один из самых популярных мифов.

Некоторые считают:

«Я просто срежу всё выше 20 кГц.»

Но проблема уже произошла.

Ложные частоты уже оказались внутри слышимого диапазона.

Эквалайзер не может определить:

  • какая частота настоящая;
  • какая появилась из-за алиасинга.

Поэтому удалить только алиасинг невозможно.

Как бороться с алиасингом? ​

Oversampling ​

Самый распространённый способ.

Допустим, проект работает на:

44.1 кГц

Плагин включает:

4x Oversampling

Внутри него сигнал временно становится:

176.4 кГц

Теперь частота Найквиста увеличивается до:

88.2 кГц

Новые гармоники помещаются в безопасный диапазон.

После обработки всё аккуратно фильтруется и возвращается обратно к 44.1 кГц.

Именно поэтому качественные плагины часто предлагают режимы:

  • 2x;
  • 4x;
  • 8x;
  • 16x Oversampling.

Антиалиасинговый фильтр ​

Перед уменьшением частоты дискретизации применяется специальный фильтр.

Он удаляет всё, что находится выше новой частоты Найквиста.

Без этого фильтра алиасинг появился бы снова уже при возврате к исходной частоте дискретизации.

Можно ли полностью избавиться от алиасинга? ​

На практике — почти да.

Современные алгоритмы позволяют снизить его до настолько низкого уровня, что он становится практически неслышимым.

Однако это требует:

  • большей вычислительной мощности;
  • большего времени обработки;
  • более сложных алгоритмов DSP.

Именно поэтому режимы высокого качества увеличивают нагрузку на процессор.

Как услышать алиасинг? ​

Попробуйте провести эксперимент.

  1. Откройте любой современный сатуратор.
  2. Выключите Oversampling.
  3. Добавьте сильную сатурацию.
  4. Послушайте верхний диапазон.
  5. Теперь включите Oversampling 4x или 8x.
  6. Снова сравните звучание.

Часто разница проявляется не как «больше высоких», а как более чистый, спокойный и естественный верх.

Практический эксперимент со SPAN ​

Используйте Voxengo SPAN.

  1. Добавьте синусоиду 5 кГц.
  2. Включите сильную сатурацию.
  3. Посмотрите на спектр.

Вы увидите гармоники.

Теперь включите Oversampling.

Обратите внимание:

  • ложных компонентов станет меньше;
  • верхний диапазон станет чище;
  • спектр станет более упорядоченным.

Это один из самых наглядных способов увидеть влияние алиасинга.

Что должен понять продюсер ​

Алиасинг — это не отдельный эффект.

Это побочный результат нарушения правил цифровой обработки сигнала.

Поэтому борьба начинается не после появления искажений, а ещё на этапе проектирования алгоритма или выбора режима работы плагина.

Итоги главы ​

✅ Алиасинг появляется при нарушении условий теоремы Найквиста.

✅ Он создаёт ложные частоты.

✅ Эти частоты отражаются обратно в слышимый диапазон.

✅ EQ не способен удалить уже возникший алиасинг.

✅ Oversampling значительно уменьшает вероятность его появления.

✅ Чем качественнее DSP, тем меньше цифровых артефактов.

Что дальше? ​

В следующей главе мы подробно разберём частоту дискретизации (Sample Rate).

Мы ответим на вопросы:

  • Почему существуют 44,1, 48, 96 и 192 кГц?
  • Когда действительно стоит использовать высокую частоту дискретизации?
  • Почему запись в 192 кГц не делает музыку автоматически лучше?
  • Как выбрать оптимальный Sample Rate для сведения, мастеринга и French House?