LP、CD格式里的几点总结和几点容易理解错的概念 [复制链接]

非常感谢 felixcat 兄给我们的科普知识。

enrique 在 2005-11-24 16:42:02 发表的内容 开个玩笑, 凭已知推测未知, 但并不知道理由的, 就是猜测,如插值方法,如算命先生.   凭已知算出未知, 并且知道理由的,  如同采样定理, 就是半仙

形象生动,这个比喻以后俺引用就不给版费了!哈哈哈

3. CD的动态范围大，是否就意味着CD听起来“更响”？

这也是一个比较容易误解的概念。首先看看动态范围是的定义。

动态范围是：最大电平和最小电平的差，单位是分贝。理论上CD可以容纳96分贝的动态范围。

动态范围大，意味着最大电平和最小电平的差比较大，但这并不等价于说最大电平一定大，因为可以是“最大电平不大，但最小电平比较小”这种情形。实际上在日常家居里听音响，不管听LP还是CD，我们都是习惯把唱片最大声控制在某个水平，所以这个时候，CD和LP最大声的时候音量都是差不多的，只不过在安静的乐段，CD的音量可以比LP小得多。

那么为什么一般商业LP，全新时候的动态范围也只有40到50分贝呢？原因不是在于最大电平上，而是在最小电平上。由于LP的材料、刻制等种种原因，使得LP的音槽上会附带上一定的额外噪音信息，所以就算LP上什么音乐信号也不刻，我们也能够听到这些额外的噪音，这些噪音的电平并不小，因此LP的最小电平肯定就要大于或者等于这些额外噪音的电平，因此最大 - 最小的值就变小了。

那是否由于CD的动态范围大，LP的动态范围小，那么CD就能够装载更多的细节？——假如是同样的母带，不加任何变动地转成CD和LP，那么的确CD可以装下更多的细节，这就好比现在我有一根长5厘米的棍子，假如把它装进一个长4厘米的盒子，那我只需把棍子砍掉1厘米就行了；但假如要把它装进一个长3厘米的盒子，那我必须砍掉2厘米才行。

但所幸的是，信号是可以压缩的，比如说对于LP，我只需把母带信息里面那些“小声”的信息，提升到电平大于LP的背噪，同时我们保持母带的最大电平不变，那么，我们就可以把这些细小的信号都装进LP里去了。

这样做的确避免了丧失细节，但是另一方面，这样做却改变了声音之间的强弱对比。比如说，可能在某个录音现场，长笛真实的音量听上去大概只有长号的1/8那么响，但可能到了LP里面，由于动态压缩了，所以长笛的音量听上去变得有长号1/4那么响了。但是对于唱片欣赏者，由于他们不可能听过这个录音现场的声音，并且他们也不曾在这个录音里面指挥过乐队或者参加演奏之类的，所以就算声音之间强弱对比有改变，他们也是不知道，并且也不会去关心的。

那么CD是否也要动态压缩呢？理论上来讲对于以往的模拟母带，CD的动态范围已经能够应付很多情况了，但由于各种原因，比如说有些录音的时候，音乐的动态根本不需要这么大（比如说室内乐等），或者录音母带本身有本底噪音，所以这样就使得制作成的CD，它里面关于音乐的动态范围比96分贝要小。并且由于考虑到目前的功放等硬件、还有听音室的环境等等，承受不了96分贝的动态，所以混音工程师有时也会对制作CD的信号作一些动态压缩。但是，总体来讲制作优良的CD都比LP有高得多的动态范围。比如说我在另外一个帖子里面就测试过，Gilels/Szell合作的贝多芬第一钢协的EMI录音，正价版CD，这部作品并不算动态大的作品，我仅仅测试它的第一乐章里面有音乐声的那部分，动态范围就已达到了63分贝（假如算上开头和结尾的静音，动态范围还会大得多呢），这是一个实测数值，对比一下一般LP的40多分贝的动态范围我们就知道：CD不仅仅说到了，并且还做到了。

CD更好的动态范围，不是说听起来“更响”，而是为了使得我们能够欣赏到音乐里面各种乐器的更加正确的强弱对比。

（未完待续）

felixcat 在 2005-11-23 17:41:33 发表的内容 并且，我发现有一些LP爱好者有时会这样说：听某张LP的时候，里面高潮乐段很“爆棚”，所以觉得LP的动态范围实际应该很大。造成这个错误结论的原因是，没有理解好动态范围的定义。 大声、爆棚和动态范围并没有任何联系。

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说到实听终于可插上一句半句了，平常听CD时我们容易发现，高潮乐段很响（爆棚，但音声缺实体感），平面，缺起伏。。。。面前一层薄雾。指标--------迷惑（VCD指标也不错呀，为何不好声呢）

qiguang 在 2005-11-23 19:41:12 发表的内容 虽然每一个取样信号误差只有0.00003V，但别忘了，这只是在65536份之一秒内这么短的时间内发生的误差，想一想累积起来在一秒种内产生的误差是这个误差的几倍，而一秒钟在我们耳朵上产生的听感只是一瞬间。 还有不管数码信号采用什么手段来还原信号，它永远是以一种时间片的方式来产生信号的，只有尽可能接近于原有信号而不可能产生原有信号的副本（哪怕是有所失真的副本）。

听觉是一瞬间的事，因此也就绝对不是一秒之内的事，而是0.00005秒之内的事（按人的听觉上限来算），0.00005秒之内有一个声波脉冲，人耳就能听到。

由于人耳的听觉是瞬间的（0.00005秒），所以瞬间（0.00005秒）之内产生的误差（也就是一个数位产生的误差，也就是这里的0.00003V）就代表了整个过程的平均误差。

假如按照“积累”这个逻辑，那不必用1秒之内“积累”的误差了，我们不如说在74分钟内，CD积累起来的误差？或者说，我连续听了5张CD，这5张CD一共积累起来的误差？——是否我听CD越久，失真就越听越大？

[虽然每一个取样信号误差只有0.00003V，但别忘了，这只是在65536份之一秒内这么短的时间内发生的误差，想一想累积起来在一秒种内产生的误差是这个误差的几倍，而一秒钟在我们耳朵上产生的听感只是一瞬间。

还有不管数码信号采用什么手段来还原信号，它永远是以一种时间片的方式来产生信号的，只有尽可能接近于原有信号而不可能产生原有信号的副本（哪怕是有所失真的副本）。[/quote]

其实还有人耳的掩蔽效应,不觉得这个0.00003V有太大的影响

松香味 在 2005-11-24 11:01:14 发表的内容 看来felixcat兄的科学普及还不能深入人心，请看下面这段话； “究竟问题在那里呢？现在只好回到抽样定理那边找答案了。抽样定理是经过数学证明的，本身肯定不会有问题的。要有什么问题的话只能从它的适用条件里去找了。 抽样定理的核心内容是从有限的离散样本值恢复出“连续”的信号，它的基本工作原理是用前后多个样本值（理论上要全体抽样值）来推算出某处的值，如果没有后面的样本（或数量太少），它将不能正确的推算出某处的值。问题的结症就在这里啦。试验电路和老CD机就是因为无法提供后面的样本。所以试验电路和老CD机不能正确的还原原信号就不奇怪了。 后产的CD机一般都有N倍的数字滤波器，目的就是尽量恢复一些数值。所以当《雨果发烧碟一》用有数字滤波器的机器播放时能输出较好的正弦波。这就是现在不同牌子的CD机厂都不约而同的使用数字滤波器的原因。但不同的厂家对数字滤波的算法是不一样的，也不可能用太多的样本来计算。另一方面，虽然数字滤波器对简单的正弦波能很好的处理，但对复杂的音乐信号就打折扣了。因此目前的CD机还是无法彻底解决数码声的问题。” felixcat兄“任重道远”哟。

我的理解:

这段话是有知识错误性的. 抽样定律(或Nyqist 采样定理) 并不是从前后的几个值去推算中间的值那么简单.  如果是简单这样的话,那是插值公式. 有很多种插值方法,线性插值, 二次曲线插值.. Bezier 插值, 样条曲线插值等等.  

插值技术的核心是借助有限的数据去推算未知的数据. 并不要求了解函数的解析式, 只要求函数具有连续性就可以. 数码相机中的"数码变焦" ,还有用ACDSee 放大和缩小图片就是用插值技术.
一张像素很少的图片放大到大图片的大小也不会和像素很多的大图片一样清楚. 这就是用已知(无凭据的) 推测未知的问题.


而采样是高于插值的, 他们是不一样的. 正如Felixcat 兄所说,如果我定义一条直线,那么有两个点就可以了. 前提是我已经知道了他是一条直线. 那么对于第三个点来的时候, 我已经知道了直线的方程式,就可以算出第三个点的函数值.  对于一条抛物线 (二次曲线) , 只需要三个点就可以了. 因为对于二次曲线, 有三个点就可以完全复原出曲线的方程式. 对于正弦信号也类似,  只要连续间隔采样,并且采样频率大于正弦信号频率的两倍,就可以算出正弦信号的方程式. 也就是说,对于周期是 T 的正弦波信号, 最少 T/2  时间采一次样,就可以根据采样值完全算出正弦波的方程式.


采样频率 f  确定以后,就已经做了一个假设,就是假设目标的频率都低于f/2, 然后下面的事情都是可以精确计算的了,而绝不是像插值那样仅仅是用已知的点去推算未知的点.

所以采样定律不是根据已知推测未知,而是根据已知,算出模型, 根据模型,算出未知. 只要模型精确度足够高, 未知就是可测得.   如果被采样的信号频率100% 的落在采样频率f 的一半以下,那么模型就是100%的正确.