Profundidad de bits de audio

Una señal analógica (en rojo) codificada a 4 bits PCM digital las muestras (en azul); la profundidad de bits es 4, entonces la amplitud de cada muestra es uno de los 16 valores posibles.

En audio digital usando modulación por impulsos codificados (PCM), profundidad de bits es el número de brocas de la información en cada uno muestra, y corresponde directamente a la resolución de cada muestra. Ejemplos de profundidad de bits Compact Disc Digital Audio, que utiliza 16 bits por muestra, y DVD-Audio y Disco Blu-ray que puede soportar hasta 24 bits por muestra.

En implementaciones básicas, variaciones en la profundidad de bits afectan principalmente el nivel de ruido de error de cuantización— por lo tanto el relación señal / ruído (SNR) y rango dinámico. Sin embargo, las técnicas tales como el tramado, forma de ruido y sobremuestreo mitigar estos efectos sin cambiar la profundidad de bits. También afecta la profundidad de bits tasa de bits y el tamaño del archivo.

Profundidad de bits sólo es significativa en referencia a un PCM señal digital. Non-PCM formatos, tales como tipo de compresión formatos como MP3, AAC y Vorbis, no tienen asociados poco profundo. Por ejemplo, mp3, cuantificación se realiza en muestras PCM que se han transformado en la dominio de la frecuencia.

Resolución binario

Una señal PCM es una secuencia de muestras de audio digitales que contiene los datos que proporciona la información necesaria para reconstruir el original señal analógica. Cada muestra representa el amplitud de la señal en un punto específico en el tiempo y las muestras están uniformemente espaciados en el tiempo. La amplitud es la única información almacenada explícitamente en la muestra, y típicamente se almacena como un número entero o un coma flotante número, codificado como un número binario con un número fijo de dígitos: de la muestra profundidad de bits.

Aumenta la resolución de enteros binarios exponencial medida que aumenta la longitud de palabra. Agregar un poquito de dobles la resolución, añadiendo dos cuádruples y así sucesivamente. El número de posibles valores que pueden ser representadas por una profundidad de bits enteros puede calcularse mediante el uso de 2ⁿ, donde n es la profundidad de bits. Por lo tanto, un 16-bit el sistema tiene una resolución de 65.536 (2¹⁶) valores posibles.

Normalmente se almacenan los datos audio PCM como firmado números en complemento a dos formato.

Coma flotante

Muchos audio formatos de archivo y estaciones de trabajo de audio digitales (DAW) ahora soportan formatos PCM con muestras representadas por coma flotante números. Tanto el WAV formato de archivo y la AIFF formatos de archivos compatibles PCM de punto flotante y DAWs principales tales como Pro Tools, Razón, FL Studio, y Ableton Live apoyo variadas capacidades de procesamiento de punto flotante.

A diferencia de enteros, cuyo patrón de bits es una serie única de bits, punto flotante de un número en su lugar se compone de campos separados cuya relación matemática forma un número. El estándar más común es Coma flotante IEEE que se compone de tres patrones: un bit de signo que representa el número es positivo o negativo, un exponente y un mantisa que es criado por el exponente. La mantisa se expresa como un fracción binaria en formatos de punto flotantes de IEEE base dos.

Cuantización

Los límites de profundidad de bits del relación señal / ruído (SNR) de la señal reconstruida hasta un nivel máximo determinado por Cuantización error. La profundidad de bits no tiene impacto en la respuesta de frecuencia, que está limitada por la frecuencia de muestreo.

Ruido de cuantización es un modelo del error de cuantización introducida por el muestreo durante el proceso conversión de analógico a digital (ADC). Es un error de redondeo entre la tensión de entrada analógica de la ADC y el valor de salida digitalizado. El ruido es no lineal y dependiente de la señal.

Un 8-bit número binario del valor diez base 149 con LSB resaltada.

En un ADC ideal, donde el error de cuantificación se distribuye uniformemente entre $\scriptstyle{\pm \frac{1}{2}}$ bit menos significativo (LSB) y donde la señal tiene una distribución uniforme cubren todos los niveles de cuantificación, la relación señal a ruido cuantización (SQNR) puede calcularse a partir

$\mathrm{SQNR} = 20 \log_{10}(2^Q) \approx 6.02 \cdot Q\ \mathrm{dB} \,\!$

donde Q es el número de bits de cuantificación y el resultado se mide en decibelios (dB).

24-bit audio digital tiene un SNR teórica máxima de 144 dB, comparado con 96 dB para 16-bit; Sin embargo, a partir de 2007 tecnología del convertidor de audio digital se limita a un SNR de aproximadamente 124 dB (21 bits) debido a limitaciones reales en circuito integrado diseño. Aún así, aproximadamente coincide con el rendimiento del ser humano sistema auditivo.

Relación señal / ruído y resolución de las profundidades de bits

brocas #	SNR	Valores enteros posible (por ejemplo)	Base diez gama firmado (por ejemplo)
4	24,08 dB	16	−8 a + 7
8	48,16 dB	256	−128 a +127
11	66,22 dB	2048	−1024 a +1023
16	dB 96,33	65.536	−32, 768 a +32,767
20	dB 120,41	1.048.576	−524, 288 a +524,287
24	dB 144,49	16,777,216	−8, 388, 608 a +8,388,607
32	192,66 dB	4,294,967,296	−2, 147, 483, 648 a +2,147,483,647
48	dB 288,99	281,474,976,710,656	−140, 737, 488, 355, 328 a +140,737,488,355,327
64	385,32 dB	18.446.744.073.709.551.616	−9, 223, 372, 036, 854, 775, 808 a +9,223,372,036,854,775,807

La resolución de las muestras de punto flotante es menos sencilla que muestras entero, pero el beneficio se presenta en la mayor precisión de los valores bajos. En representación de punto flotante, el espacio entre los dos valores adyacentes es de la misma proporción que el espacio entre cualquier otros dos valores adyacentes, mientras que en la representación de un entero, el espacio entre los valores adyacentes se pone más grande en proporción a las señales de bajo nivel. Esto aumenta el SNR porque la exactitud de una señal de alto nivel será igual a la precisión de una señal idéntica a un nivel inferior.

Las ventajas y desventajas entre punto flotante y enteros es que el espacio entre los grandes valores de punto flotante es mayor que el espacio entre los grandes valores de la misma profundidad de bits. Un punto flotante grande resultado número resulta en un error mayor que redondeo un pequeño número de punto flotante, mientras que un número entero de redondeo será siempre en el mismo nivel de error de redondeo. En otras palabras, números enteros tienen redondear es uniforme, siempre redondeando el LSB en 0 o 1 y punto flotante tiene SNR es uniforme, el nivel de ruido de cuantización es siempre de una cierta proporción a nivel de la señal. Un punto flotante piso de ruido se levantará como la señal se eleva y caída como la señal cae, dando como resultado una varianza audible si la profundidad de bits es bastante baja.

Procesamiento de audio

Mayoría de las operaciones de procesamiento de audio digital implica requantization de muestras y así introduce error de redondeo adicional análogo al error de cuantización original introducido durante el análogo a la conversión digital. Para evitar el error más grande que el error implícito de redondeo durante ADC, cálculos durante el proceso deben realizarse en mayores precisiones que las muestras de entrada.

Procesamiento de señal digital Las operaciones (DSP) pueden realizarse en cualquier punto fijo o precisión de punto flotante. En cualquier caso, la precisión de cada operación es determinado por la precisión de las operaciones de hardware utilizado para realizar cada paso del proceso y no la resolución de los datos de entrada. Por ejemplo, en x 86 los procesadores, las operaciones se realiza en 32 o 64 bits de precisión y fijo de punto flotante punto operaciones en 16, 32 o 64 bits resolución. En consecuencia, todo el proceso realizado en hardware basado en Intel llevará a cabo en 16, 32 o 64 bits precisión enteros, o 32 o 64 bits flotante punto precisión independientemente del formato de fuente. Sin embargo, si la memoria es un lujo, software todavía optará a la salida de audio de 16 o 24 bits de resolución más baja después del procesamiento de precisión más alta.

Punto fijo procesadores de señal digital a menudo apoyo inusual palabra tamaños y precisiones con el fin de apoyar las resoluciones señal específica. Por ejemplo, la Motorola 56000 Chip DSP utiliza tamaños de palabra de 24 bits, 24 bits multiplicadores y acumuladores de 56 bits para realizar multiplicar-acumular las operaciones en dos muestras de 24 bits sin desbordamiento o redondeo. En dispositivos que no soportan grandes acumuladores, las operaciones de punto fijo pueden ser implícitamente redondeadas, reducción de precisión inferior a la de las muestras de entrada.

Errores compuesto por varias etapas de DSP a un ritmo que depende de las operaciones realizadas. Para pasos de procesamiento no correlacionados en datos de audio sin un desplazamiento de DC, errores se asumen para ser aleatorio con media cero. Bajo esta premisa, la desviación estándar de la distribución representa la señal de error, y error del quantization escalas con la raíz cuadrada del número de operaciones. Los altos niveles de precisión son necesarios para los algoritmos que involucran procesamiento repetido, tales como convolución. Los altos niveles de precisión también son necesarios en algoritmos recursivos, tales como respuesta impulsiva infinita Filtros (IIR). En el caso particular de filtros IIR, error de redondeo puede degradar la respuesta de frecuencia y causar inestabilidad.

"Dither"

Artículo principal: "Dither"

El ruido introducido por error de cuantización, incluyendo redondeo errores y pérdida de precisión introducido durante el procesamiento de audio, puede ser mitigado mediante la adición de una pequeña cantidad de ruido aleatorio, llamado "dither", a la señal antes de cuantificar. El tramado elimina la granularidad del error de cuantización, dando una distorsión muy baja, pero a expensas de un ligeramente levantada piso de ruido. Medido utilizando ITU-R 468 ponderación de ruido, esto es aproximadamente 66 dB abajo nivel de alineación, o 84 dB debajo de digital escala completa, que es algo más baja que el nivel de ruido de micrófono en la mayoría de las grabaciones y por lo tanto no tiene importancia en audio de 16 bits (véase Programa de nivel para saber más sobre esto).

audio de 24 bits no requiere tramado, como el nivel de ruido del convertidor digital siempre es más fuerte que el nivel requerido de cualquier "dither" que podría aplicarse. audio de 24 bits teóricamente podría codificar 144 dB de rango dinámico, pero no ADCs existen que puede proporcionar más ~ 125 dB.

"Dither" también puede utilizarse para aumentar el rango dinámico efectivo. El percibido rango dinámico de 16-bit audio puede ser tan alta como con forma de ruido de 120 dB "dither", aprovechándose de la respuesta en frecuencia del oído humano.

Rango dinámico

Rango dinámico es la diferencia entre la señal más grande y más pequeña de un sistema puede grabar o reproducir. Sin tramado, el rango dinámico se correlaciona con el piso de ruido de cuantización. Por ejemplo, resolución de entero de 16 bits permite un rango dinámico de unos 96 dB.

Con mayores profundidades de bits durante estudios de grabación acomoda el mayor rango dinámico. Si el rango dinámico de la señal es inferior al permitido por la profundidad de bits, la grabación tiene espacio librey cuanto mayor sea la profundidad de bits, el espacio más que está disponible. Esto reduce el riesgo de recorte sin encontrar errores de cuantificación en bajos volúmenes.

Con la correcta aplicación del tramado, sistemas digitales pueden reproducir señales con niveles más bajos que su resolución permitiría normalmente, extendiendo el alcance dinámico más allá del límite impuesto por la resolución.

El uso de técnicas tales como sobremuestreo y forma de ruido puede ampliar el rango dinámico de audio muestreado moviendo el error de cuantificación de la banda de frecuencia de interés.

Sobremuestreo

Artículo principal: Sobremuestreo

Sobremuestreo es un método alternativo para aumentar el audio de rango dinámico de PCM sin cambiar el número de bits por muestra. En sobremuestreo, muestras de audio se adquieren a un múltiplo de la frecuencia de muestreo deseada. Porque se asume el error del quantization a distribuirse uniformemente con frecuencia, gran parte del error de cuantificación se desplaza a frecuencias ultrasónicas y puede ser eliminado por el convertidor digital a analógico durante la reproducción.

Un aumento equivalente a n bits adicionales de resolución, una señal debe ser sobremuestreada por

$\mathrm{number\ of\ samples} = (2^n)^2 = 2^{2n}.$

Por ejemplo, un ADC de 14 bits puede producir audio 48kHz 16 bits si opera en 16 x sobremuestreo o 768 kHz. PCM sobremuestreada intercambia por lo tanto menos bits por muestra más muestras para obtener la misma resolución.

Forma de ruido

Artículo principal: Forma de ruido

Sobremuestreo una señal produce ruido de cuantización igual por unidad de ancho de banda en todas las frecuencias y un rango dinámico que mejora con sólo la raíz cuadrada de la relación de sobremuestreo. Forma de ruido es una técnica que añade ruido adicional en las frecuencias más altas que anula algún error en las frecuencias bajas, lo que resulta en un aumento mayor en rango dinámico cuando sobremuestreo. Para nruido TH-orden que forma, el rango dinámico de una señal de Shaping es mejorado por un adicional 6ndB en relación con sobremuestreo sin forma de ruido. Por ejemplo, para un audio analógico de 20 kHz muestreado en sobremuestreo x 4 con segundo ruido orden formar, se incrementa el rango dinámico de 30 dB. Por lo tanto una señal de 16 bits muestreada a 176 kHz tendría igual resolución como una señal de 21 bits muestreada a 44,1 kHz sin forma de ruido.

Forma de ruido es comúnmente implementado con modulación Delta-Sigma. Usando modulación Delta-Sigma, Super Audio CD Obtiene 120 dB SNR a frecuencias de audio usando 1-bit audio con 64 x sobremuestreo.

Aplicaciones

Profundidad de bits es una propiedad fundamental de las implementaciones de audio digitales y hay una variedad de situaciones donde es una medida.

Bits por muestra y aplicaciones de ejemplo

Aplicación	Descripción	Formatos de audio
CD-DA (Libro rojo)	Medios digitales	16-bit LPCM
DVD-Audio	Medios digitales	16, 20 y 24 bits LPCM
Super Audio CD	Medios digitales	1-bit Direct Stream Digital (PDM)
Audio de disco Blu-ray	Medios digitales	16, 20 y 24 bits LPCM y otros
DV audio	Medios digitales	PCM comprimido de 12 bits y 16 bits PCM sin comprimir
UIT-T Recomendación G.711	Estándar para la compresión telefonía	8-bit PCM con companding
NICAM-1, 2-NICAM y NICAM-3	Estándares de compresión para difusión	10, 11 y 10 bits PCM respectivamente, con comprensión-expansión
Ardour	DAW por Paul Davis y La comunidad de Ardour	"Todos los datos de muestra se mantiene internamente en 32 bits flotantes formato punto..."
Pro Tools 11	DAW por Avid Technology	16 y 24 bits o sesiones de punto flotante de 32 bits y 64 bits de punto flotante mezcla
Logic Pro X	DAW por Apple Inc.	proyectos de 16 y 24 bits
GarageBand 11 (versión 6)	DAW por Apple Inc.	16 bits por defecto con grabación de 24 bits instrumentos reales
9 en vivo	DAW por Ableton Live	punto flotante de 32 bits de mezcla
Razón 7	DAW por Propellerhead Software	16, 20 y 24 bits I/O, aritmética de punto flotante de 32 bits y 64 bits Resumen

Poco ritmo y tamaño de archivo

Profundidad de bits afecta tasa de bits y el tamaño del archivo. Tasa de bits se refiere a la cantidad de datos, específicamente pedacitos, transmitidos o recibidos por segundo.

Véase también

• Mediciones del sistema de audio
• Profundidad de color— concepto correspondiente para imágenes digitales
• Número efectivo de bits

Referencias

• Ken C. Pohlmann (15 de febrero de 2000). Principios de Audio Digital (4ª ed.). Profesional de la McGraw-Colina. ISBN978-0-07-134819-5.

Otras Páginas

• Gpsim
• Plan de rescate de ejecucion hipotecaria
• Asynergy
• Dispensario Bastyr