模拟录音和数字录音工作原理
2013-12-02 11:20阅读：
模拟录音和数字录音工作原理
当CD在20世纪80年代初期问世时，它们的唯一用途是将音乐存储为数字格式。要了解CD的工作方式，需要先了解数字录放的工作原理以及模拟技术和数字技术之间的差异。
这篇文章里，我们将介绍模拟录音和数字录音，以全面了解这两种技术之间的差异。
托马斯·爱迪生于1877年制作出
第一台录放装置，用一台很简单的机械装置以机械方式储存模拟波。爱迪生制作的原始
电唱机用振动膜直接控制针，再由针将模拟信号刻写到锡箔圆筒上：
在对着爱迪生发明的装置说话时转动圆筒，针即在锡筒上“录”下所说的话。即随着振动膜振动，针也产生振动，这些振动将自身记录到锡筒上。要回放声音，针必须经过录音期间所刻写的凹槽。回放时，当初刻入锡箔内的振动记录使针振动，并使振动膜振动发声。
Emil
Berliner于1887年对该系统进行了改进，制造出也是使用针和振动膜的纯机械式
留声机。留声机主要改进的是使用带有
螺旋凹槽
的
平面唱片，这使
大规模生产唱片变得易行。现代留声机的工作方式与之相同，但由针读取的信号是通过电子方式放大，而不是直接通过振动机械振动膜。
爱迪生制作的电唱机中的针在锡圆筒上刻写的东西是什么？它是
模拟波，表示您说话的声音产生的振动。例如，此处是一图形，显示说“hello”这个词时产生的模拟波：
单击此处，可听到该词。
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这一波形是以电子方式记录下来的，而不是记录在锡箔上，但它们的原理相同。这一曲线图实质上显示了扩音器振动膜的位置（Y轴）随时间（X轴）发生的变化。如果振动很快，振动膜每秒会振动数千次。这就是在爱迪生的装置中刻写到锡箔上的那种波。注意：“hello”
一词的波形相当复杂。纯音就是以某一频率振动的正弦波，例如这条500赫兹的波（500赫兹=每秒振动500次）：
单击此处，可听到这个声音。
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由以上可以看出，储存和播放模拟波可以很简单：刻写到锡箔上的确是一种直截了当的方法。这种方法的问题在于它对信号的
保真度不是很高。例如，使用爱迪生发明的
电唱机时，许多
杂音与
目标信号一同被储存，造成
不同形式的
信号失真。此外，电唱机反复播放会造成
磨损：针经过凹槽时会轻微改变凹槽，最终抹掉凹槽。
CD技术（以及其他任何
数字录音技术）的目标在于制作具有
高保真度的录音（原始信号与再生信号之间具有很高的相似性）和可以完美回放（无论播放多少次，每一次播放的录音听起来都一样）的录音。
为实现这两个目标，数字录音将模拟波转换为数字流，且记录数字而不是波。该转换通过一个名为
模数转换器（ADC）的装置完成。要播放音乐，则要通过
数模转换器（DAC）将数字流重新转换为模拟波，由DAC生成的模拟波被放大后输送到扬声器放出声音。
只要不损坏数字，由DAC生成的模拟波每次都是相同的。如果ADC进行高频采样并生成准确数字，由DA
生成的模拟波也将与原始模拟波非常相似。
要理解为何CD具有如此高的保真度，就必须更好地理解模数转换过程。假定我们想用ADC对一声波进行采样，下面是一个典型波（此处假定水平坐标轴上的每个时间刻度为千分之一秒）：
使用模数转换器对波进行采样时，可对两个变量进行控制：
- 采样频率——控制每秒的采样次数
- 采样精度——控制采样的梯级数（量化等级）
在下图中，假定采样率为每秒1,000次、采样精度为10：
绿色的长方形表示样本。ADC每隔千分之一秒查看一次波形，并选取0到9之间最接近的数字。选取的数字在图表底部显示。这些数字是原始波的数字表示。当DAC通过这些数字再现原始波时，将得到下图中所示的蓝线：
可以看到，蓝线丧失了相当一部分在红线中发现的细节，这意味着再现波的保真度不是很高。这就是
采样误差。可通过增加采样频率和精度减少采样误差。在下图中，采样频率和精度均提高一倍（每秒采样2,000次，20个梯级）：
在下图中，采样频率和精度再次提高一倍（每秒采样4,000次，40个梯级）：
可以看到，随着采样频率和精度的增加，保真度（原始波与DAC输出之间的相似性）也将提高。对于CD的音质，保真是一个重要的目标，因此在采样频率为每秒采样44,100次，梯级数为65,536的水平下，DAC输出的模拟波与原始波形的匹配程度很高，使得大多数人的耳朵感觉声音几乎是“完美”的。
