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Audio Matrix

本文作者:辰谙

在数字音频的领域,“抖动(Dithering)”是一项关乎音频质量的重要技术。

这么,这项技术的原理是怎样的,又有怎样的应用场景?

01

量化噪声的产生

在现代的音频系统中,声音主要有三种存在形式:机械波模拟信号数字信号

简单来说,机械波就是我们直接听到的声波,模拟信号是用电路来模拟机械波产生的信号,数字信号则是用编码记录模拟信号产生的信号。

在录音时,声音会由连续的机械波转换为连续的模拟信号,再由连续的模拟信号编码为离散的数字信号;播放数字声音文件时,声音则是从数字信号解码,转换为模拟信号,再转换为机械波。

由于数字信号是离散的,而模拟信号是连续的,所以在进行模数转换(ADC)或数模转换(DAC)时,就可能出现用精度较低的阶梯波形去近似表示模拟信号波形的情况,从而产生量化噪音。

此外,在输入信号斜率的绝对值过大时,由于当抽样频率和量化台阶一定时,阶梯波的最大可能斜率是一定的,若信号上升的斜率超过阶梯波的最大可能斜率,则阶梯波的上升速度赶不上信号的上升速度,也会出现过载量化噪声。

为了尽量减轻这种对于音质的影响,在数字音频领域用于改善数字音频信号质量的“抖动(Dithering)”的技术就有了用武之地。

02

“抖动(Dithering)”

“抖动”的基本原理是在原始信号上添加一个小量的随机噪声。由于量化噪声往往是带有一定规律的,所以在进行这种“抖动”处理之后,原有的噪声规律就会被打破,噪声的明显程度就会下降。

三角波抖动是一种常用的抖动方式。这种方式使用三角波形的噪声信号与原始音频信号混合。

由于三角波具有连续的、线性的特性,它可以在不引入明显谐波失真的情况下,有效地分散量化噪声。

噪声抖动使用随机的噪声信号来抖动原始音频。这种抖动方式的主要优点是可以更好地模拟连续信号的特性,减少量化噪声。然而,由于噪声信号是随机的,它可能会引入一些不可预测的失真。

数字音频中的“抖动(Dithering)”指的是什么?

误差反馈抖动是一种高级的抖动方式,能够根据原始音频信号的动态变化进行自适应调整。即在信号强度较高或较低时,抖动算法可以相应地调整抖动的幅度和频率,以更好地匹配信号特性。

形状抖动是一种针对特定频率范围的抖动方式。在这种方式中,抖动信号被设计成在特定频率范围内具有更高的能量以匹配原始音频信号的特性。这种技术可以在保持音频信号整体质量的同时,减少特定频率范围内的量化噪声。

03

“抖动”功能的使用

目前市面上有很多插件都带有“抖动”的功能,也不乏一些DAW本身自带了这种功能。在这里,我们以iZotope公司出品的母带处理插件Ozone 11为例,简单地介绍一下“抖动”功能的使用。

在Ozone 11上,“抖动”功能默认是不开启的。

我们手动点亮“Dither”的标签之后,相关的设置界面才会显示出来。

需要注意的是,如果使用的DAW本身就有“抖动”功能,那么在使用Ozone 11的“抖动”功能之前,宿主的“抖动”功能就需要关闭。

设置界面的最左边的Bit Depth(位深度),用于设定即将导出文件的目标位深度。这个根据导出文件的实际情况设置即可。

其下方的Auto-Blanking(自动消除)激活后,当在输入信号中检测到至少0.7秒的静音时(即0位信号),则自动将抖动输出(即抖动噪声)静音。

Dither Amount(抖动处理程度)用于选择将要添加到原始信号中的抖动输出振幅大小,一般推荐选择“Medium”即可。

其下方的Harmonic Suppression(谐波抑制)功能只能在将Dither Amount(抖动程度)设定为“Off”时使用。

再下方的Limit Peaks(限制峰值)激活后,可以对由于极端的抖动设置引起的输出信号峰值进行限制。

如果采用极端的抖动处理,噪声在经过塑形之后的高频抖动噪声可能会被明显放大,从而使抖动信号中出现虚假峰值(在16bIt中其峰值高达-60dBFS)。此时这一功能就能派上用场。

Noise Shaping(噪声塑形)用于设定抖动处理过程中对噪声进行塑形的程度。此功能会调整抖动噪声的频率到人类不易听到的范围。可选项中的“Max”是塑形程度的最大值,可实现约14dB的可听噪声抑制。

Bit Meter(位电平)处会显示出对素材进行处理的数字化活动信息。此位电平并非实际意义上的电平表,而是显示出正在使用哪些位。如果某个位是被使用的,相应的格子就会亮起来。

下方的Reset(重置)单击后可清除当前位电平的显示。单击此电平表也可重置峰值保持信息。

DC Offset Meter(直流偏移电平表)显示了信号中出现直流偏移的程度。单击此电平表可以清除当前显示并重新进行运算。

其下方的Filter(滤波)激活后将启用截止频率为1Hz的高通滤波,从而在进行限制处理之前对直流偏移进行过滤。

需要注意的是,在Ozone 11中,只有在Maximizer或Vintage Limiter模块位于信号处理链中时,直流偏移电平表和滤波器才会起作用。

-END-

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