Teoрия семплироваания

Appearance

«Любое округление оставляет след. В цифровом аудио этот след называется шумом квантования.»

🎯 После этой главы вы сможете ​

  • понять природу шума квантования;
  • узнать, почему он возникает;
  • увидеть его связь с битовой глубиной;
  • разобраться, почему этот шум отличается от обычного фонового шума;
  • подготовиться к изучению Dither.

Что мы уже знаем? ​

В предыдущих главах мы выяснили:

  • аналоговый сигнал является непрерывным;
  • компьютер измеряет его через определённые промежутки времени;
  • каждое измерение округляется до ближайшего цифрового уровня.

Но что происходит с ошибкой округления?

Она никуда не исчезает.

От ошибки к шуму ​

Представим один семпл.

Настоящее значение:

text
0.734

Компьютер может сохранить только:

text
0.730

Ошибка составляет:

text
0.004

Это кажется совершенно незначительным.

Но теперь представьте:

44 100 семплов

каждую секунду.

У каждого из них есть небольшая ошибка.

Все эти ошибки складываются в один непрерывный шум.

Почему это именно шум? ​

Ошибки квантования возникают в разных местах сигнала.

Они постоянно меняются.

Иногда ошибка положительная.

Иногда отрицательная.

Из-за этого они воспринимаются как слабый случайный шум.

Визуализация ​

Идеальная волна:

text
~~~~~~~~~~~~~~~

После квантования:

text
~≈~≈~~≈~~~≈~~≈~

Разница между этими двумя сигналами и есть шум квантования.

Как он звучит? ​

При высокой битовой глубине:

  • практически неслышен;
  • значительно тише музыкального сигнала.

При очень низкой битовой глубине:

  • появляется зернистость;
  • становится заметен цифровой "песок";
  • исчезают тихие детали;
  • затухание инструментов звучит грубо.

Где его легче всего услышать? ​

Лучше всего шум квантования слышен:

  • в очень тихих фрагментах;
  • в длинных реверберациях;
  • в плавном затухании (Fade Out);
  • в сольных инструментах с большим динамическим диапазоном.

Именно поэтому инженеры уделяют ему такое внимание.

Почему увеличение Bit Depth помогает? ​

Вспомним прошлую главу.

16 бит дают:

65 536 уровней

24 бита:

16 777 216 уровней

Когда уровней больше,

ступеньки становятся значительно меньше.

Следовательно,

уменьшается ошибка каждого округления.

А значит,

уменьшается и шум квантования.

Представьте лестницу ​

Большие ступени:

text
█

█

█

█

Маленькие ступени:

text
██████████████████████

Во втором случае движение намного ближе к плавному.

Со звуковой волной происходит то же самое.

Почему шум называют цифровым? ​

Обычный шум появляется из-за физических причин.

Например:

  • шум микрофона;
  • шум предусилителя;
  • шум электронных компонентов;
  • тепловой шум.

Шум квантования возникает исключительно из-за математического округления.

Это фундаментальное свойство любой цифровой системы.

Можно ли полностью избавиться от него? ​

Нет.

Если система использует конечное количество уровней,

ошибка квантования неизбежна.

Можно лишь сделать её настолько маленькой,

что она станет практически незаметной.

Практический эксперимент ​

Откройте любой Bitcrusher.

Поставьте:

text
4 Bit

Теперь проиграйте тихое пиано.

Вы услышите:

  • цифровую шероховатость;
  • зернистость;
  • неприятный шум.

Теперь постепенно увеличьте:

text
8 Bit

↓

12 Bit

↓

16 Bit

↓

24 Bit

Шум будет становиться всё менее заметным.

Почему это важно при записи? ​

Во время записи вокала,

акустической гитары,

пианино,

оркестра

используется большой динамический диапазон.

Если уровень шума квантования слишком высок,

он начинает скрывать самые тихие детали исполнения.

Именно поэтому современная запись практически всегда ведётся в 24-bit.

Что должен понять продюсер ​

Шум квантования — это не неисправность оборудования.

Это естественное следствие перевода непрерывного сигнала в цифровую форму.

Чем больше битовая глубина,

тем меньше этот шум.

Итоги главы ​

✅ Шум квантования появляется из-за ошибок округления.

✅ Он состоит из миллионов маленьких ошибок каждого семпла.

✅ При низкой битовой глубине он становится хорошо слышен.

✅ Увеличение Bit Depth значительно уменьшает уровень шума.

✅ Полностью устранить шум квантования невозможно без специальных методов.

Что дальше? ​

В следующей главе мы познакомимся с одной из самых красивых идей цифрового аудио — Dither.

На первый взгляд она кажется парадоксальной:

Иногда, чтобы уменьшить слышимые искажения, инженеры специально добавляют шум.

Мы разберём:

  • что такое Dither;
  • почему добавление шума может улучшить звук;
  • когда его необходимо использовать;
  • почему Dither применяется только на финальном этапе подготовки аудио.

После этой главы станет понятно, почему мастеринг-инженеры так внимательно относятся к последнему этапу экспорта.