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科普贴:音乐发烧友口中的至臻音质(24bit)到底是什么?

音乐制作从模拟音频时代到数字音频时代,诞生了许多新的规格与指标,大家所常见的规格指标有mp3有损压缩格式与wav无损压缩格式,其中mp3中又分不同码率,例如128kbps与320kbps,这些对于音乐爱好者们来说已经耳熟能详,不必过多赘述。那么除开封装格式外,还有两个重要参数也和我们所追求的音质息息相关,即「采样率」与「bit位深」。这片文章中,我们着重于探讨bit位深与数字音频的关系。

一:模拟与数字

要理解bit位深在数字音频系统中担任的角色,我们需要先来了解一些模拟信号与数字信号的基础知识。

“模拟信号是一条线,数字信号是一个个点,一条线中可以包含无限的点,若点的数量足够多,则可以构成一条视觉上的线,但放大来看,它仍是一个个独立的点。”

简单来说,模拟信号是连续的,而数字信号是不连续的,我们会“使用数量巨大的点”来采集模拟信号,使数字信号尽可能看起来像连续(模拟)信号。也就是我们采集了很多很多的“”,然后将点与点链接起来画成一条线。

图1模拟信号


图2数字信号

白线代表0db(无声),黑线代表振动幅度(振幅)。

我们都知道,声音是靠振动来产生的,将振动图像化来表示即为波形,振动的幅度以及频率都可以用此表示,每秒振动1个周期为1Hz,同理每秒振动1000个周期为1kHz,即“千周”。

在上方两张图中,皆为10kHz的信号,并将其放大到最细微去观察,此处的“最细微”是指放大到可以看见每一个采样点,在图1中为理想化采集的信号,波形连续顺畅,采样点不可见,但实际上数字世界中不可能存在这样的信号。一个真实的数字信号往往像 图2这样,由许多采集点连成线构成,我们常见的“采样率48kHz”即为每秒采集48000个点并将其连成线,对于人耳而言,48000的采样率已经足够还原出非常高精度的信号了。

现在,信号的频率(振动次数)已经能被采集识别了,那么我们信号的大小(振动幅度)我们又该如何表示呢?

二:bit/比特率/比特位深/采样深度

Hummm...这个小标题中含有多个名称,但是你完全不必被这些乱七八糟的名字搞得头脑混乱,他们都是同一个意思,为了简化与方便理解,我们接下来将其统称为bit。

在数字音乐以CD为载体的时代,我们常常会看到一个格式叫做”44.1kHz/16bit“,这里的44.1kHz为采样率标注,采样率在上一章节中也和大家简单地介绍过了。而在移动通讯设备已经发展得相当成熟的今日,人们乐于使用手机实时的联网来听音乐,CD更多用于收藏与闲暇时刻在固定场所内播放,而CD格式也被传承了下来,如今网络唱片发行很多也仍然使用CD音频格式,即”44.1kHz/16bit”,这样的格式好处仍然是占用内存较小,但随着人们移动设备的储存容量越来越大,网络速度越来越快,很多音乐制作者也更改了习惯,偏向于使用48kHz/24bit格式来发布自己的音乐。

那么,bit到底是什么?16bit和24bit到底又有什么区别?

音频领域的bit的概念很简单,它是一个计算机向我们描述振幅(音量大小)的量化单位,数量·和采样频率一样,对于计算机而言,它无法做到信号的连续性。问题来了,“量化单位数量”是什么?

举个例子:

我们在增加手机音量的时候,每按一次“音量+”键,在手机中反应出来的都是增加”1格”音量,这里“格”就是一个量化单位,如果手机中一共提供了16格音量单位供用户调整,则我们可以理解为,手机的最小音量到最大音量之间的范围有16个量化单位,即2的4次方,即3bit,如果手机提供了32格音量单位供用户调整,则为2的5次方,即4bit,那么用户可以更加精准去调节到一个期望音量。

这个例子不够严谨,它的目的只是为了大家更好地去理解“量化单位”这个词,接下我们进入音频领域来继续深入了解bit。

在聊到16bit之前,我们不如先来聊一聊1bit。

1bit是2个状态(量化单位),分别是0和1,为方便理解我们简化ADDA的原理,因为实际上要比图示复杂很多。更通俗一些理解就是,把波形振幅简化成围绕着0的位置来波动,依据PCM的采样原理,我们使用偏置电压为+2.5v和-2.5v进行讲解,从图中可以得知,在1bit中,动态被量化只有2种结果:+2.5v和-2.5v,因此蓝色的模拟正弦波被1bit数字量化转换成了方波。这种量化误差造成的失真,我们称之为量化失真。

2bit是4个状态(量化单位),分别是00、01、10和11,因此2bit的量化结果要比1bit多出2个电压+1.25v和-1.25v,从图像中我们可以得知,虽然它的量化结果也还是和原波形存在量化失真,但是情况很明显比1bit好。所谓量化就是四舍五入的方式,比如-1.1v的电压,在2bit中被记录成了1.25v,因此失真了。

3bit是8个状态(量化单位),因此3bit的量化结果要比2bit多出4个电压+0.625、+1.875v,-0.625和-1.875v,虽然和原波形依旧存在量化失真,但是情况越来越好。

讲到这里,想必大家也理解到了bit的概念了,我们把这个概念引申到16bit和24bit上去,可以通过计算得出16bit有65536个状态(量化单位),这个精度显然已经比1bit高出太多,对于大多数人而言,已经无法感知到量化失真了。

而24bit有16777216个状态(量化单位),它比16bit多了如此之多的量化单位,数据量自然也会多上不少,但更重点的其实是他的精度,随着科技的进步,耳机耳放诸多回放设备的发展,人们已不满足于16bit的精度,所以24bit在音乐制作阶段已经完全取代16bit,而在音乐发布阶段,24bit也愈发有着完全取代16bit的趋势。

咪咕音乐


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