Что такое resampling

Что такое resampling

Что такое ресемплинг? (resampling, передискретизация)

Chto takoye resempling

Цифровое аудио всегда сэмплируется, это означает, что любой цифровой аудиофайл создается с фиксированной частотой дискретизации (и разрешением). Частота дискретизации Red Book Audio CD составляет 44,1 кГц (16-битное разрешение). Аудио на DVD сэмплируется с частотой 96 кГц (24-битное разрешение). Преобразование частоты дискретизации необходимо, когда требуется преобразовать цифровой аудиофайл (аналоговый сигнал, который уже был оцифрован) из заданной частоты дискретизации в другую частоту (разрешение может остаться неизменным или измениться). Повышение частоты дискретизации (или интерполяция) — это процесс преобразования с низкой в более высокую (например, с 44,1 кГц до 48 кГц); понижающая дискретизация (также известная как прореживание) — это процесс преобразования с высокой частоты на более низкую (например, с 96 кГц до 48 кГц). Важно заметить: наша студия выполняет сведение и мастеринг на частоте 96кГц, потому прореживание используется для предоставления дополнительных форматов, предназначенных для распространения в социальных сетях и на стримминговых сервисах .

Изменения в битовой глубине, например от 16-битного до 24-битного или обратно может выполняться одновременно с повторной дискретизацией, но следует позаботиться о том, чтобы избежать смешения двух принципов. Низкокачественные алгоритмы повторной дискретизации, будь то повышающая или понижающая выборка, могут вносить артефакты, которые отчетливо слышны при воспроизведении. Типичный некачественный, но чрезвычайно быстрый алгоритм будет основан на линейной интерполяции. Высококачественные алгоритмы передискретизации используют больше процессорного времени, поскольку они требуют преобразования в частотную область. Современные процессоры ПК (тактовая частота

2 ГГц) легко справляются с очень качественной передискретизацией в реальном времени. Звуковые карты, которые выполняют ресэмплинг в реальном времени, требуют хорошего DSP.

Очень часто требуется передискретизация, которая фактически является частью процесса мастеринга аудио для компакт-дисков, поскольку профессиональное аудиооборудование использует 96 кГц или 192 кГц для мастеров, тогда как в спецификации Red Book Audio CD используется частота дискретизации 44,1 кГц. Различные носители записываются с разной частотой дискретизации (CD на 44,1 кГц, DAT на 48 кГц, DVD-аудио на 96 кГц и т.д.). Цифровое микширование различных источников, отобранных с разной скоростью, потребует повторной выборки до общей скорости и разрешения.

Многие аудиокарты для ПК (в частности, кодеки Creative Labs на базе 10k1 и 10k2) и кодеки AC97 могут только вводить, выводить или обрабатывать аудиоданные на частоте 48 кГц и принудительно пересчитывать информацию на том или ином этапе. Иногда звуковое программное обеспечение, плагины и драйверы добавляют возможность пересемплирования, что позволяет получить более чистый звук (на разных уровнях алгоритмы продуктов могут показывать себя по-разному). Например: один и тот же синтезатор, на различных уровнях ресемплирования может давать различные оттенки одного и того же сигнала.

Ресемплинг. Цифровая кирпичная стена против теории заговора. Рождественская сказка для любителей чистого звука

Когда старый год уже проводили, Новый встретили сначала в узком семейном кругу, а затем с более дальними родственниками, когда закончились или пришли в негодность новогодние салаты и стало отпускать похмелье…

Те, кто не захотел или не смог встречать Новый Год в Дальнем Зарубежье, начинают ощущать на себе зов персонального компьютера.

Именно для них и предназначена моя рождественская история, об основах ресемплинга — технологии, позволившей значительно улучшить качество воспроизведения дисков формата Аудио CD в начале тысячелетия. Именно тогда для воспроизведения 16 битных записей начали применять 18 и даже 20 битные цифро-аналоговые преобразователи. С первого взгляда это выглядело как маркетинговая уловка производителей, направленная на извлечение дополнительной порции денег из кошельков доверчивых аудиофилов, но в этот раз сторонники теории заговоров могут курить в сторонке. На самом деле это было удачной попыткой улучшить качество воспроизведения и снизить цену дорогостоящей профессиональной аппаратуры. История старая, но поучительная, во многом актуальная и по сей день.

Цифро-аналоговый преобразователь digital-to-analog DAC является сердцем любой аудиовопроизводящей системы, использующей в качестве источника компакт диски. На него возложена сложная и деликатная задача раскодирования последовательности 16-битных чисел и преобразования её в формат, воспринимаемый человеческим ухом.

В далёком 1983 году появился первый культовый CD проигрыватель Magnavox со сдвоенным 14 битным конвертором, но уже к началу века многие системы высококачественного воспроизведения CD дисков имели 18, а то и 20 битные преобразователи. Почему?

Немного теории, почти без формул

Концепция цифро-аналоговых преобразований покоится на двух китах: частоте дискретизации sampling и разрядности quantization.

Для воспроизведения звука в PCM формате мы должны через равные промежутки времени преобразовывать цифровые значения в соответствующие им аналоговые величины напряжения или тока. Частота этих преобразований и является частотой дискретизации. Согласно теореме Найквиста, таким образом возможно воспроизводить сигналы с частотой не выше половины частоты дискретизации. Наиболее распространённые форматы, которые способны воспроизводить сигналы с частотой воспринимаемой человеческим ухом общепринята цифра 20 кГц, имеют частоты дискретизации в 44.1 и 48 КГц.

Первый до сих пор широко используется в звуковых компакт дисках (CDDA, англ. Compact Disc Digital Audio, также называемый англ. Audio CD и Red Book), а второй зародился в ряде стандартов для профессиональной звукозаписывающей аппаратуры.

Давайте вообразим себе что при записи звуковой сигнал попадает на идеальный аналогово-цифровой преобразователь. Он не имеет собственных шумов и искажений и преобразует мгновенное значение поступающего на него сигнала в цифровое с заданной разрядностью, ну например в 16 бит, как это принято в формате Audio CD. В таком случае, теоретически достижимый динамический диапазон сигнала (соотношение между оцифрованными сигналами с самым большим и маленьким уровнями) будет составлять 98.1 dB. Для вычисления этой величины часто используют приближённую формулу, согласно которой каждый лишний бит добавляет 6 децибел к теоретически достижимому динамическому диапазону. Для 16 битного сигнала мы получим:

6dB/bit*16bits=96dB.

Реальный музыкальный сигнал чаще всего состоит не из чистого тона, а из смеси большого количества быстро меняющих свою частоту и амплитуду гармоник. Для гармоник, имеющих амплитуду менее одного разряда АЦП, невозможно восстановить корреляцию с исходным сигналом и они в результате операции кодирования-декодирования превращаются в белый шум. Кроме этого, шумы генерируются быстро изменяющимися сигналами с большой амплитудой, которых много скажем в поп музыке.

От идеальных приближений к реальной жизни. Проблемы первых CD проигрывателей

Со времён начала использования цифровых технологий в звукозаписи ведётся постоянная гонка за увеличение их производительности и уменьшение стоимости. Первые CD проигрыватели имели единственный параллельный DAC и две входные цепи, которые поочерёдно подавали на него сигналы то правого, то левого каналов. Мгновенные уровни аналоговых сигналов на выходе DAC фиксировались с помощью специальных цепей на время между двумя считываниями и попеременно поступали на отдельные усилители правого и левого каналов. Это порождало дополнительные искажения, величина которых зависела от разности мгновенных звуковых уровней каналов. Под напором критики ауидофилов производители вынуждены были перейти на схему с отдельными DAC для каждого из каналов.

На выходе DAC присутствует ступенчатый сигнал, который не слишком похож на плавный исходный, в нём существуют неприятные на слух искажения. Давайте для упрощения представим что на вход была подана единственная гармоника с частотой 1 КГц. Операция восстановления оцифрованного сигнала приводит фактически к возникновению интермодуляционных искажений между исходным сигналом и частотой дискретизации — в нашем случае 44.1 КГц. (Механизм возникновения интермодуляционных искажений и ликбез по гармоникам при необходимости ищите в моей прошлой статье).

Несмотря на то, что паразитные гармоники лежат за пределами человеческого уха, они оказывают неблагоприятное воздействие на усилительный тракт и от них лучше избавиться.

В ранних моделях аппаратуры для воспроизведения цифрового контента для этого использовались фильтры, которые имели плоскую характеристику до частоты в 20 кГц, а далее резкое ослабление уровня на 80дБ и более. В английской терминологии такие фильтры называют brick-wall, на русском иногда именуют по аналогии “кирпичной стеной”. Проблема заключалась в том, что аналоговые ФНЧ высокого порядка очень чувствительны к точности значений пассивных компонентов, из которых они состоят. Ещё больше осложняют ситуацию требуемые номиналы выбивающиеся за пределы стандартного ряда и особые требования к качеству этих компонентов, которое необходимо для достижения минимального вклада в искажение сигнала. В результате, стоимость данных фильтров получалась запредельной, но самое печальное — они не смогли удовлетворить запросы аудиофилов, поскольку данные фильтры имели большие фазовые искажения, особенно на краях воспроизводимого диапазона. Поэтому звучание ранних версий CD проигрывателей несмотря на высокую стоимость аудиофилы характеризовали как “песочное” (gritty).

Цифровые фильтры спешат на помощь. Oversampling на пальцах

Серьёзным шагом в направлении улучшения качества звука а главное его доступности было внедрение технологии передискретизации сигнала, которой собственно и посвящена данная статья.

Для того, чтобы пояснить её сущность давайте представим процесс восстановления сигнала с так любимой ГОСТами частотой 1 КГц. На рисунке A представлен ряд сэмплов составляющих сигнал, которые появляются на выходе DAC, а правее спектральные составляющие второго и третьего порядков, содержащиеся в сигнале на выходе DAC. Можно заметить, что сигнал является ни чем иным, как продуктом интермодуляционных искажений между исходным тоном с частотой 1 КГц и частой оцифровки 44.1 КГц.

Увеличим частоту дискретизации сигнала в четыре раза путём элементарной операции — добавления лишних трёх сэмплов между двумя соседними, каждый из которых имеет нулевые значения, как показано на рисунке C. Одновременно с этим добавим два младших разряда в каждый сэмпл, также заполнив их нулями. Теперь мы получили 18 битные значения сэмплов. В результате этой операции спектр сигнала фактически не изменился, но на самом деле произошло фундаментальное изменение. Гармоники второго порядка, вызванные частотой дискретизации стали частью спектра основного сигнала. Производные же гармоники переместились выше частоты 44.1 кГц. Это показано на рисунке D.

В области же спектра основного сигнала с успехом можно применить цифровую фильтрацию, что мы и сделаем, использовав цифровой фильтр высокого порядка, с АЧХ показанный на рисунке F. Физически мы получаем дополнительные промежуточные точки между имеющимися сэмплами сигнала, которые сглаживают переходы между двумя значениями за счёт появления дополнительных двух разрядов в представлении амплитуды.

Теперь, когда всю тяжёлую и грязную работу выполнил цифровой фильтр мы подаём результирующий сигнал с частотой дискретизации в 44.1*4 =176.4 КГц, на DAC.

Осталось добавить вишенку на наш тортик — пропустить сигнал через простейший аналоговый фильтр третьего порядка, который отлично справится с подавлением гармоник в заданном диапазоне и не внесёт при этом заметных фазовых искажений.

Результат — спектр полученного сигнала стал гораздо ближе к исходному, паразитные составляющие в нём сильно ослаблены, а фазовые искажения сведены к минимуму благодаря возможностям цифровой фильтрации.

Аппаратная реализация

На рисунке представлена аппаратная реализация описанного выше решения. Операции передискретизации и цифровой фильтрации выполняет микросхема CXD1088Q производства фирмы SONY — одним из прародителей формата Audio CD. Несложная логическая схема поочерёдно запускает преобразование двух отдельных 18 битных DAC AD1860.

Какие же преимущества мы получили в результате наших цифровых фокусов?
  • Снижение интермодуляционных искажений
  • Низкие фазовые искажения, вносимые фильтром
  • Отличное подавление высших гармоник, возникающий в процессе цифро-аналогового преобразования, которые могут служить источником возникновения интермодуляционных искажений в усилительном тракте
  • Применение ЦАП с большей разрядностью позволяет уменьшить нелинейности преобразования и коэффициент гармонических искажений в силу того, что они имеют лучшие параметры
  • Благодаря использованию специализированных чипов вместо сложных аналоговых фильтров, снизилась цена реализации, размеры и потребляемая мощность аппаратного решения.

Каждому яблоку место упасть, каждому вору возможность украсть…

Как любая хорошая рождественская история, эта имеет хэппиенд. От внедрения новой технологии кажется выиграли все:

Производители профессиональной аппаратуры и CD проигрывателей в сегменте Hi Fi смогли улучшить качество звука и значительно увеличить повторяемость параметров своих изделий в процессе производства.

Любители качественного звука получили проигрыватели дисков с улучшенными параметрами за разумную цену.

Законченные аудиофилы теперь могут ворчать о том, какой крутой звук был у старых аппаратов с аналоговыми фильтрами пока всё не испортила цифра и охотиться за винтажной техникой.

Ну а избранные производители хайэнда могут создавать единичные экземпляры устройств, тщательно подбирая компоненты аналогового фильтра с характерным названием “кирпичная стена”, получая при этом аппараты с индивидуальным звучанием обусловленным в основном вносимыми фильтрами фазовыми и не только искажениями и задирать их ценник до небес.

Более подробное сравнение работы аналоговых и цифровых фильтров и ответы на характерные вопросы читайте в следующей статье

При подготовке публикации были использованы материалы статьи DAC ICs: How Many Bits is Enought? под авторством Robert Adams

Ресемплинг в FL Studio

Ресемплинг – процесс преобразования звукового сигнала.

Это понятие может иметь двойственное значение.

Ресемплинг или передискретизация – это процесс, позволяющий изменить частоту дискретизации сигнала (увеличить или уменьшить). Например, с 44,1 кГц до 22,05 кГц. Повышение частоты дискретизации называется интерполяцией, а понижение – децимацией. В процессе передискретизации новые отсчеты вычисляются по уже имеющимся, при этом сигнал остается неизменным (форма волны не изменяется).

Ресемплинг или семплирование – процесс, при котором звуковой сигнал поступающий с какого-либо источника (микрофон, виртуальный синтезатор и т.д.) преобразовывается в аудио сигнал (обычно файл формата WAV).

Этот прием полезен тем, что при таком преобразовании можно существенно разгрузить ресурсы компьютера. Например, если вы синтезировали многослойный бас, используя несколько требовательных к ресурсам синтезаторов, то уже загрузили свой ПК достаточно серьезно. А по мимо баса в композиции также присутствуют и другие партии (лиды, синты, пэды и т.д.), которые могут быть написаны тем же способом. Такая нагрузка на компьютер может негативно сказаться при дальнейшей обработке. Вот поэтому я рекомендую использовать ресемплинг в целях экономии ресурсов ПК.

Давайте более подробно рассмотрим процесс ресемплинга в программе FL Studio.

Ресемплинг в FL Studio

Для того, чтобы сделать ресемплинг сигнала в FL Studio необходимо направить его на один из каналов микшера, и в первый слот insert канала загрузить плагин Edison.

Этот инструмент способен записывать, редактировать и обрабатывать аудио сигнал. Проще говоря, Edison – это встроенный аудио редактор.

Открываем окно Edison и выбираем режим записи ON PLAY (Record on song playback). В этом режиме запись аудиодорожки начинается в момент запуска воспроизведения с транспортной панели программы FL Studio. Кроме того, редактор самостоятельно поставит необходимые маркеры зацикливания.

ресемплинг

Жмём клавишу Record в окне плагина Edison.

Выбираем режим проигрывания паттерна и нажимаем клавишу Play на транспортной панели программы FL Studio.

После записи, нажимаем стоп на транспортной панели и в окне плагина.

Вырезаем части аудио сигнала не вошедшие в область, ограниченную маркерами лупа. Таким образом получаем засемплированный сигнал партии лида, который может воспроизводиться в цикле.

ресемплинг

С помощью одной из клавиш плагина (Drag / copy sample / selection или Send to playlist as audio clip / to channel) перемещаем получившийся луп в окно Playlist.

Благодаря такой простой технике можно значительно уменьшить нагрузку на процессор и оперативную память, чтобы в дальнейшем использовать их ресурсы для других задач (эквализация, компрессия и т.д.).

Кроме того, это не все возможности ресемплинга. Используя этот прием можно добиться интересного звучания партий различных инструментов, смешивая засемплированные элементы микса в определенной пропорции. Эксперименты в этом направлении могут дать абсолютно непредсказуемый результат.

Ссылка на основную публикацию