Il Vantaggio di 1-Bit – La registrazione del futuro

Il Vantaggio di 1-Bit – La registrazione del futuro
Korg ha sviluppato e sta introducendo una linea di registratori audio digitali portatili, i
primi nella loro classe ad utilizzare la registrazione ad1-bit. Il palmare MR-1
fornisce registrazione e riascolto di alta qualità a 1-bit/2.8MHz, mentre l’unità MR1000 supporta gli standard di alta qualità della registrazione a 1-bit/5.6 MHz,
doubling industry. Una parte fondamentale di questi registratori digitali ad 1-bit è il
software AudioGate™ (esclusivo della Korg), incluso gratuitamente in ogni unità, che
fornisce la compatibilità tra la registrazione a 1-bit realizzata con l’MR-1 e l’MR-1000,
ed i formati audio attuali 1-bit e PCM.
Per capire le possibilità ed I benefici che questi registratori offrono, abbiamo
preparato questo documento di presentazione. In esso esploreremo e discuteremo
le attuali tecniche audio digitali PCM ed i principali vantaggi che la registrazione a 1bit può fornire; ambedue le cose in termini di sincerità e di documentazione per il
futuro.
Campionare audio a 1-bit/5.6 MHz, vi consente di archiviare le registrazioni nella
migliore qualità mai avuta a disposizione, sia per i professionisti che per gli amatori,
e permette di riproporre e distribuire le registrazioni archiviate in qualsiasi formato
PCM attuale, preservando il formato iniziale dei file audio a 1-bit per i formati che si
affermeranno in futuro.
La tecnologia di registrazione ad 1-bit non è del tutto nuova al mondo dell’audio pro.
Essa fu originariamente sviluppata dal Dr . Yoshio Yamasaki alla fine degli anni ’80
presso l’università di Waseda in Giappone. Il Dr Yamasaki ha brevettato il
procedimento di registrazione a 1-bit nel 1992, e, con le sue ricerche ed invenzioni,
ha scritto la storia della tecnologia a 1-bit. Questa tecnologia è stata adottata e
promossa Sony e Philips come Direct Stream Digital recording (DSD) nella
configurazione SACDe questo formato 1-bit SACD è stato disponibile
commercialmente sin dal 1999 con oltre 4.000 titoli disponibili.
Audio Digitale – cenni storici
Nei sistemi di riproduzione analogici, la fedeltà e la gamma dinamica erano limitati
dal supporto fisico su cui erano incise (nastro, dischi in vinile etc.), inoltre ogni
passaggio del nastro sulla testina e sul capstain, o ogni volta che una puntina
percorreva il solco di un disco, la registrazione originale veniva degradata da questo
contatto meccanico. I nastri ed i dischi dovevano essere immagazzinati in un
ambiente specifico ed i nastri dovevano essere tenuti al riparo dai campi magnetici –
come gli altoparlanti o i monitor dei computer. Essi inoltre erano dispendiosi, la loro
capacità di salvataggio era limitata e continuavano a degradarsi anno dopo anno.
Entra l’audio digitale. Nell’autunno del 1982 (primavera del 1983 negli Stati Uniti), il
Compact Disc introduce la registrazione audio digitale nel mercato consumer.
L’audio digitale offre diverse migliorie rispetto ai sistemi analogici – una maggiore
fedeltà ed una migliore gamma dinamica forniti dalla riproduzione non meccanica,
inoltre migliori possibilità di archiviazione e facilità di conservazione.
Ma cos’é l’audio digitale? Principalmente l’audio digitale analizza una forma d’onda
audio continua prelevando dei “campioni” in vari punti della curva del segnale.
Quando ci riferiamo al campionamento – convertendo segnali audio analogici in dati
digitali – stiamo generalmente parlando di due specifiche: profondità di bit e
frequenza di campionamento.
In questo esempio, i punti blu rappresentano i punti di campionamento prelevati da
questo segnale audio. Le linee verticali rappresentano la frequenza di
campionamento. Questa frequenza viene definita in Hertz, e rappresenta quante
volte la forma d’onda viene “misurata” per ogni secondo. Le linee orizzontali
rappresentano la profondità di bit o risoluzione. La prima cosa che noterete è che i
punti non rappresentano accuratamente il segnale originale. Questo perchè la
risoluzione, in questo esempio, è piuttosto bassa.
Il CD che ha dato inizio a questa conversione, veniva registrato usando una
profondità di bit pari a 16, ed una frequenza di campionamento di 44.1 KHz
(comunemente definito16-bit / 44.1 KHz). Prima di andare avanti, cerchiamo di
capire perchè furono scelti questi. L’orecchio umano risponde a segnali audio
compresi nella gamma tra 20 Hz (venti oscillazioni al secondo) e 20 KHz (ventimila
oscillazioni al secondo). La ricerca ha provato che per campionare accuratamente, la
frequenza di campionamento deve essere di poco superiore al doppio della
frequenza più acuta che viene campionata. Questa riflessione viene definita il
teorema di Nyquist .
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Nel grafico sottostante, la frequenza di campionamento è solo di 30 Hz, mentre la
frequenza del segnale audio è pari a 20KHz. La linea tratteggiata mostra il segnale
creato dagli errori di campionamento. Questi errori vengono definiti rumore di
“aliasing”.
Come abbiamo già detto, la gamma di percezione dell’orecchio umano arriva sino a
circa 20 KHz, ed il teorema di Nyquist indica che abbiamo bisogno di campionare ad
una frequenza poco più che doppia. Questo è il motivo percui il CD uscì sul mercato
con una frequenza di campionamento pari a 44.1 KHz, che era la frequenza più
bassa che potesse garantire un campionamento accurato in tutta la gamma udibile
dall’orecchio umano.
L’intensità dei bit nel processo di campionamento è espressa in potenza di
due, otto etc….
A maggiore intensità dei bit corrisponde maggior definizione dei dettagli
audio, aumentando così l’accuratezza della riproduzione e la pulizia dei
segnali di livello più basso prima che i medesimi decadano e vengano
assorbiti dal rumore di fondo.
In sostanza, la dinamica del sistema aumenta abbassando la gamma dei segnali
a più alta pressione sonora ed inoltre i segnali di livello consistente sono
senza dubbio più facili da rappresentare.
E’ nel caso dei segnali più deboli e nel decadimento sonoro più prossimo
allo zero (silenzio) che la maggior parte dei sistemi mostra i propri limiti
in termini di accuratezza.
L’incremento di profondità dei bit da 8 a 16 produce risultati incredibili
aumentando la gamma dinamica teorica da 48 a 96 dB.
La risoluzione a 16 bit rappresenta un significativo incremento nella gamma
dinamica, al di sopra dei mezzi di registrazione analogici in cui era tipicamente 5060’ dB. I sistemi a 8 e 12 bit non offrono questo vantaggio, per cui per il formato CD
fu adottata la risoluzione a 16 bit. Ricordate che a quel tempo, la memoria era un
lusso e l’idea era far entrare più dati possibile in un CD e renderlo un mezzo
affidabile per il mercato consumer.
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Progressi e risultati nella scienza del Multi-Bit
Sebbene il formato Cd fosse appena stato introdotto,
nuovi formati di
campionamento iniziarono a proliferare, fornendo maggiore profondità di bit e
frequenza di campionamento più veloce. Si potrebbe presumere che una maggiore
frequenza di campionamento ed una superiore profondità di bit migliorino la qualità
del campionamento/registrazione, e, per molti aspetti, questo è vero. L’incremento
da 16 a 24 bit fornisce praticamente una gamma dinamica pari a 110 dB che,
seppure significativa, comparata ai sedici bit è solo una piccola miglioria. Pertanto,
anche se ogni incremento della profondità di bit produce una reale espansione della
gamma dinamica, il miglioramento diventa via via di minore importanza.
Rumore della quantizzazione
•
Distribuito ugualmente su tutta la banda (rumore bianco)
•
Ridotto dall’aumento della risoluzione
Dynamic range
noise floor (16-bit)
Espansione della dinamica
Quantization noise noise floor (17-bit)
0Hz
22.05kHz
Non ci sono dubbi che l’attuale audio 24-bit / 192 KHz suoni molto bene. Ma vi sono
ancora aree che possono essere migliorate, ed avvicinate da una diversa prospettiva
con altri benefici.
Il processo di codifica Multi-Bit PCM
•
La conversione A/D & D/A viene svolta in low-bit (es..1-bit) ad alta frequenza di
campionamento, poi uno ogni 10 campioni viene conservato (il processo di decimazione).
•
La Decimazione avviene durante la registrazione (es. la conversione A/D), poi
l’interpolazione, la modulazione sigma-delta durante il riascolto (la conversione D/A )
Sorprendentemente, la maggior parte degli attuali convertitori a 24-bit usa la
conversione ad 1-bit. Dopo aver campionato ad 1 bit alta velocità, il convertitore usa
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quello che viene definito un Decimation Filter per cambiare il formato ad 1 bit nel
formato multi bit desiderato. Una semplice descrizione del filtro decimatore è che
esso è una forma di convertitore della frequenza di campionamento, o un divisore
che trasforma il flusso del segnale ad 1-bit nel numero di campioni necessario al
formato multi-bit. In altre parole scarta delle informazioni del segnale (ovviamente in
modo intelligente) che non è in grado di usare.
Esso inoltre contiene un filtro alla metà della frequenza di campionamento (teoria di
Nyquist ) per eliminare l’aliases (es. a 44.1 KHz) viene impiegato un filtro di 22.05
KHz. Dato che il compito del filtro è influenzare l’audio, le considerazioni sulla fase,
la linearità, la risposta transiente ed il ripple sono talmente soggettive da non poter
essere prese in considerazione; sono una responsabilità della persona che progetta
il codice per il filtro decimatore. Esse possono essere comparate comunque in come
lo stesso microfono suoni in modo diverso con due diversi preamplificatori.
Nel processo di D/A i dati PCM memorizzati vengono manipolati di nuovo per
riconformarli all’audio (attualmente è ancora il voltaggio che arriva agli altoparlanti).
Durante questo processo, vengono eseguiti molti calcoli per “riassemblare” i dati in
un flusso audio, inclusi molti procedimenti di simulazione che cercano di ricostruire
l’audio nel modo più vicino possibile a come era il segnale quando è stato
campionato. Queste elaborazioni includono l’interpolazione per ricostruire una
approssimazione più dettagliata del segnale analogico originale, ed una
modulazione sigma-delta per controllare l’inevitabile rumore e gli errori che si
verificano nella rilettura delle informazioni.
Una pratica molto usata consiste nell’usare l’oversampling per riascoltare al doppio
della frequenza di campionamento della sorgente “facendo una stima” di dove
sarebbero i dati se fossero stati campionati al doppio della frequenza. Sebbene
questa tecnica sia efficace, essa è pur sempre un’approssimazione e non fornisce
un risultato molto migliore rispetto al campionare e restituire interamente le stesse
informazioni.
Pertanto potete vedere che in questo progetto i dati vengono cambiati o manipolati
come minimo due volte dall’originale – nella codifica e poi di nuovo nella decodifica.
Il vantaggio di 1-bit
In un sistema ad 1-bit, l’audio viene registrato ad una super frequenza di
campionamento, normalmente pari a 2.8224 MHz ed ora, con l’MR-1000, a 5.6448
MHz. A questa altissima frequenza, un sistema ad 1 bit è in grado di riprodurre da
DC a 100KHz, cosa che supera tutti gli altri sistemi digitali e persino il nastro
magnetico, che può riprodurre sino a 50 KHz. A queste frequenze così alte non c’è
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ulteriore necessità di filtri, che rimuovono un possibile elemento di colore nella
catena di codifica.
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Codifica ad 1-Bit comparata al PCM
•
Registra direttamente il segnale originale a 1 bit
•
La conversione D/A può essere semplice come far passare il pulse train attraverso un filtro
passabasso analogico.
Ancora meglio, rimanendo nel formato ad 1-bit che il convertitore ha già usato, non è
necessario il processo di decimazione del filtro durante la registrazione e nemmeno
dei processi di interpolazione e di oversampling durante il riascolto. Per cui quello
che ne deriva al di là di ogni dubbio, è che nel procedimento viene eliminato il motivo
per cui i dati vengono modificati. Ricordate che i filtri hanno una grande influenza sul
suono con la registrazione PCM e la registrazione ad 1-bit elimina completamente la
necessità del loro impiego.
Pochi ma buoni
E’ facile comprendere i benefici della superiore e dell’extra superiore frequenza di
campionamento, ma forse può creare confusione il beneficio di muoversi da alte
profondità di bit verso il basso sino al singolo bit. Veramente la maggiore profondità
di bit rende il segnale più accurato? E’ giusto?
Il concetto basilare è che quando la frequenza di campionamento viene alzata sino a
livelli così elevati, ogni campione non ha più bisogno di essere definito così nel
dettaglio. Con una tale velocità di lettura della forma d’onda dell’audio, ogni
campione deve essere definito in termini semplici – il segnale è aumentato, diminuito
o rimasto uguale all’ultima lettura eseguita?-. Il singolo bit fornisce solo due valori 1 o
0 – maggiore o minore rispetto all’ultimo campione. A queste ipervelocità di
campionamento uno stato invariato può essere rappresentato alternando gli “1” e gli
“0”. La possibilità di errore in un tale sistema è di gran lunga inferiore rispetto
all’approccio multi bit. Considerate questo:
In un sistema ad 1-bit i possibili valori di ogni misurazione sono semplici, sono 1 o 0.
C’è una scarsa possibilità di rilevare un valore errato. In un sistema a 24 bit vi sono
16.777,216 possibili valori. Allora, quale sistema è più accurato in ogni lettura?
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Una prova pratica di questo (vedi la figura sottostante) è il risultato dei test che sono
stati eseguiti usando il Korg MR-1000, mostra il reale vantaggio della registrazione
ad 1-bit / 5.6MHz. Abbiamo registrato un' onda quadra analogica a 20 KHz a varie
frequenze di campionamento e catturato l’uscita analogica.
L’onda quadra di sopra è quella originale. Quella sotto è l’uscita. Ogni figura mostra
il segnale analogico in ingresso e l’uscita ad ogni frequenza di campionamento.
Possiamo osservare che il segnale in uscita che usa il campionamento a 16 bit/44.1
KHz diventa un’onda sinusoidale. Persino il campionamento a 24-bit / 96 KHz
trasforma il segnale in una sinusoide.
16-bit / 44.1 KHz
24-bit / 96 KHz
Il segnale a 24-bit / 192 KHz è più simile all’originale ma, come potete vedere, il più
vicino in assoluto è il segnale 1-bit / 5.6 MHz,che ha catturato più accuratamente il
transiente dell’onda quadra.
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24-bit / 192 KHz
1-bit / 5.6 MHz
Questo è un test notoriamente difficile ma mostra chiaramente la bontà delle
prestazioni della tecnologia ad 1-bit ad alta.
La vera importanza della tecnologia 1-bit – la registrazione del futuro
Abbiamo speso del tempo per farvi acquisire familiarità con questa scienza e non
per convincervi che gli attuali sistemi di registrazione non sono buoni. Come
abbiamo già ricordato, l’attuale metodo di registrazione a 24-bit / 192 KHz produce
ottimi risultati. Mentre i benefici sonori della tecnologia ad 1 bit sono reali, la nostra
prima sfida è che questo sia il primo formato, da quando il nastro è stato dimesso,
ad essere usato per il missaggio finale e per l’archiviazione.
Molti esperti sostengono che, laddove possibile, il nastro sia ancora il supporto
migliore per il missaggio finale. Ma certo non è il supporto ideale per l’archiviazione
in quanto degrada nel tempo e la possibilità per musicisti di rimanere in esistenza
per decenni è scarsa.
Il Multi-bit PCM produce ottimi risultati ma non raggiunge le prestazioni di 5 Hz - 50
KHz del nastro e, considerando le possibilità future, non è facilmente trasportabile in
altri formati. Prendendo un attuale file a 16-bit / 44.1 KHz ed usandolo per
rimasterizzare il progetto in formato i24-bit / 192 KHz se ne avranno solo
miglioramenti appena percettibili. Non sarà possibile migliorare la qualità del
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materiale già archiviato a meno che non sia stato campionato con tutte le sfumature
e l’acccuratezza del segnale. Questo è il perché le masterizzazioni di serie di
registrazioni classiche ripartono sempre dai nastri master originali– essi hanno la
migliore gamma dinamica e risposta in frequenza e non richiedono conversioni della
frequenza di campionamento di dati già manipolati. Se sono ancora “ruvidi”
andranno benissimo, ma si degraderanno ad ogni passaggio sulle testine ed ogni
anno che passa.
La riduzione dei dati ed il filtraggio è stato il principale vantaggio del PCM sino ad
oggi. Ora i tempi sono cambiati, Il salvataggio su disco e la memoria sono diventati
poco costosi, con centinaia di Gigabytes che oggi sono la normalità. La velocità di
gestione dei dati ed i chipsets che possano gestire il flusso del segnale ad 1 bit con
semplicità sono facilmente reperibili. L’unica ragione per cui eravamo così affezionati
al PCM era che i registratori ad 1 bit con un prezzo ragionevole mancavano: sino ad
oggi.
I benefici della registrazione ad 1-Bit
•
La capacità di registrare e riprodurre un suono molto vicino al segnale analogico originale
•
U
t
i
l
Utile come un archivio che può essere usato con qualsiasi formato di PCM
Ora con la disponibilità della registrazione ad 1- bit, potete scegliere di campionare
l’audio con la migliore risoluzione ed accuratezza dsponibili, ed archiviarlo senza
manipolazioni che debbono essere eseguite nei procedimenti di decimazione prima
e di interpolazione poi. Il vostro archivio non verrà modificato da questi processi e
potrete scegliere la conversione desiderata per il vostro progetto. Dato che la
tecnologia della conversione continua a migliorare, potrete riprendere il materiale
archiviato e rimasterizzare il progetto partendo da una sorgente “pura”. In questo
modo l’audio verrà elaborato una sola volta da un sistema di vostra scelta.
Ambedue i registratori MR usano convertitori di ultima generazione: il Burr Brown
PCM4202 per la conversione A/D ed il Cirrus Logic CS4398 per la conversione D/A.
Queste sono le unità più considerate ed ammirate, e le più degne di elaborare le
vostre registrazioni più importanti.
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L’audio ad 1-Bit come formato di archiviazione
•
Può essere convertito in qualsiasi formato PCM standard attuale.
L’audio ad 1-bit può essere facilmente convertito in uno qualsiasi degli attuali formati
ed usato in PCM multi-bit. Se registrate il vostro mix finale o il vostro master da
archiviare con la tecnologia ad 1 bit poi potrete spostarvisi uno qualsiasi degli attuali
formati con risultati più che accettabili. Dato che l’industria si sta muovendo verso il
formato ad 1 bit, i vostri progetti saranno già pronti. Nessun altro formato di
archiviazione passato e presente può garantire questa quantità di dati, affidabilità e
prestazioni.
Alcune domande semplici ma importanti
Perché serve un filtro decimatore?
Per conformarsi allo standard PCM.
Potete eliminare l’uso del filtro decimatore nell’elaborazione?
Si, registrando direttamente a 1-bit.
Se io converto un file PCM o un CD sto usando un filtro decimatore vero?
Si, ma solo 1 x nella conversione al PCM – nulla se usate 1-bit.
Tutti i filtri decimatori cambiano il suono nel PCM?
Tecnicamente SI! Alcuni suonano meglio di altri per la migliore progettazione. La
qualità del filtro dipende dal progetto e dal progettista.
Posso registrare il master a 1-bit e poi usarlo per masterizzare CD?
Si, registrando i vostri file a 1-bit / 5.6 MHz. Molti ingegneri del suono usano già la
tecnologia ad 1-bit. Se si richiede il PCM, dovete solo convertire i vostri file con il
software AudioGate in qualsiasi formato PCM vi occorra ed avrete comunque il vostro
file originale a 1-bit / 5.6 MHz per i formati futuri.
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Perché dovrei voler registrare ad 1-bit se il mio DAW è 24bit/44.1kHz PCM?
Campionate l’uscita analogica del vostro sistema così come la sentite durante il
missaggio. Quello sarà il momento in cui suona meglio in assoluto…. Pertanto
campionatela nel miglior modo possibile: ad 1-bit / 5.6 MHz.Riascoltandola rimarrete
sorpresi della profondità e del realismo che saranno quelli che ricordavate durante il
missaggio.
Tutti ascoltano solo CD o MP3 e allora??
Proprio come lo standard televisivo si va spostando verso l’alta definizione, anche lo
standard dell’audio segue lo stesso andamento. Internet ad alta velocità ed i nuovi
programmi di compattazione dell’audio senza disturbi stanno portando a migliori formati
standard di distribuzione dell’audio. La tecnologia guarda sempre avanti e non torna
indietro.
Posso pubblicare registrazioni a 1-bit ?
Si. SACD è insieme 1-bit / 2.8 MHz e 16-bit / 44.1 KHz sullo stesso disco
Come posso duplicare i miei file a 1-bit ?
Potete copiare i file direttamente dal registratore MR via USB 2.0 in un altro disco rigido
e/o copiarlo su un CDR .
Come posso ascoltare i file a 1-bit sul mio computer?
Il software AudioGate può farvi ascoltare i file con il vostro computer o la vostra scheda
audio.
Quali convertitori vengono usati nei registratori Korg a 1-bit?
Texas Instruments (Burr Brown) - PCM4202 per la conversione A/D, Cirrus Logic CS4398 per la conversione D/A ed ambedue sono convertitori riconosciuti flagship.
Cosa significa DSD ed è universalmente riconosciuto?
DSD sta per
Direct Stream Digital ed è certamente usato e riconosciuto
universalmente.Pertanto salvando dei dati raw 1-bit in un DVD-R standard (o RW etc.)
potrete richiamarli in futuro in qualsiasi formato. Ecco perché il missaggio e la
masterizzazione con il registratore a due tracce Korg MR 1-bit porta il vostro lavoro nel
futuro!
Attuali formati di alta definizione ora disponibili per il mercato consumer e
quello professionale:
Sony/Phillips Super Audio CD (SACD)
Dual Layers - 1-bit / 2.8 MHz and 16-bit / 44.1 KHz (standard red book CD format)
DVD-A
Sino a PCM 24-bit / 192 kHz
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