Digital lyd – Hva er sample rate?
Helt siden musikken tok steget inn i den digitale tidsalderen, nærmere bestemt 1. oktober 1982 – dagen cd-platen ble introdusert – har diskusjonene vært opphetede. Folk har kranglet og ører har flagret – over temaene bit depth, bit rate og sample rate. I denne artikkelserien skal jeg prøve å gi deg svaret på hva disse begrepene betyr og hvorfor de er viktige
Litt historie
Frem til tidlig på åtti-tallet var kommersiell musikk kun tilgjengelig analogt. De to mest populære formatene var vinylplater og musikk-kassetter. I 1982 var det litt over 100 år siden Edison oppfant Fonografen – det vi lenge trodde var den første lydopptakeren.
Som så med mye annet av det Trollmannen fra Menlo Park har fått æren for, var det andre som var før ham – så også med opptageren.
Lydkvaliteten på hans Mary Had A Little Lamb var så som så – og det vi lenge antok var verdens første opptak ble grundig slått da dette opptaket ble funnet. I 1860 synger en kvinne den franske folkesangen “Au claire de la lune” på et apparat som risset lydbølger inn på papir. Apparatet heter Fonautograf og det ble laget av Edouard-Leon Scott de Martinville. Opptaket viser at opptak av lyd virkelig har forandret seg på 155 år.
«1 oktober 1982 endret historien seg. Det var dagen den digitale Compact Disc platen gjorde sin inntreden»
Hvorfor digital lyd?
På starten av åtti-tallet hadde analoge komponenter til bruk i avspillingsutstyr som platespillere, tapemaskiner og forsterkere allerede nådd sin topp. Det var rett og slett ikke lønnsomt nok å lete etter forbedringer. En standard platespiller ville i dagens 2015 fort kostet 50-60.000 kroner og en flott to spors båndsmaskin som Studer A80 ville du måttet lagt 200.000 på bordet for å få med deg hjem.
Se bare hva en av verdens beste platespillere som Linn Sondek LP12 koster i dag. Den ble lansert i 1972 og kom i en 40 års utgave (kun 40 eks) for noen år siden. Og prisen – 275.000.- kroner. Dette er langt mer enn noe avspillingsutstyr koster i dag og pris er nok grunnen til at mye analogt utstyr stille og rolig fadet ut.
Desimalsystemet vs det binæretallsystemet
I artikkelen Hva er en A/D konverter? så vi at et bit er ett siffer i to-tallsystemet og har to mulige verdier: 0 og 1. Bit er den grunnleggende enheten for digital informasjon.
Vi mennesker har valgt desimalsystemet. Det er basert på enheter på 10. Det er greit siden vi har 10 fingre. Men det binære tallsystemet er bedre tilpasset for maskiner hvor enkle kommandoer som av/på, ja/nei, kaldt/varmt gjelder. Så i stedet for å telle fra 0 til 9, teller det binære systemet fra 0 til 1.
Hvis du tar ett tall som 158 representerer tallet 5 tierne og tallet til venstre for det 1 representerer hundre og hvert tall til venstre økes med ti – tusen, ti tusen, hundre tusen osv.
I det binære tallsystemet øker hvert tall til venstre verdien i faktorer på to: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 osv. Dette systemet kjenner du sikkert igjen fra bl a minnekort og annet som er datarelatert.
Hva er digital lyd?
Vi snakker ofte om digital lyd, men lyd som vi hører er vibrasjoner som skaper trykkbølger og svingninger i luften og vi kan ikke høre annet enn analog lyd.
Skal du konvertere analog lyd til digital lyd kommer vi ikke utenom om det tohodete trollet sample rate og bit depth.
Det første som skjer i denne konverteringsprosessen er at lyden må samples.
Tenk deg at du har en analog lydbølge. Denne lydbølgen skal du kunne lagre digitalt (dvs du lagrer den ikke, du bare registerer den) og du skal kunne spille den av igjen senere. Den beveger seg kontinuerlig og er ikke delt opp i styrkegrader som digitallyd.
«En analog lydbølge er ikke delt opp i trappetrinn som digitallyd er»
Sample Rate
Å gjøre lydbølgen digital gjøres ved å måle og ta prøver av lydbølgen med jevne mellomrom. Det heter å sample lyden. Sampling er første skritt i digitaliseringen av lyd. Det du sampler er nivåendringene.
I 1980 møttes elektronikkgigantene Philips og Sony for å definere standarden på cd-platen. De skrev The Red Book Standard – en liten bok i serien The Rainbow Books – som definerer de tekniske spesifikasjonene på en cd-plate.
Her ble de fysiske spesifikasjonene definert – som størrelse (120mm), hvor mye musikk den rommerer (74:41), hvor mange låter du kan ha (99), start/stop koder og kanskje det viktigste – hva skal sample rate og bit rate være.
Prinsippet med digitalisering av lyd ligner på systemet med film. Her har det blitt brukt 25 bilder i sekundet og det er nok til å lure øye til å se en sammenhengende film. Vi snakker altså om en samplingsfrekvens på 25.
Nyquist – Shannon theorem
Samplingsfrekvensen Sony og Philips skulle velge til Cd platen tok utganspunkt i den menneskelige hørselen. Men, hvor ofte må du sample en bølgeform for å få et bra nok resultat?
Svaret får vi av to kloke hoder som forsket på båndbredde. En av dem en svensk herre ved navn Harry Nyquist og en amerikansk matematiker, Claude Shannon
Vi vet at mennesker hører fra 20-20.000 Hz. For å ta vare på denne båndbredden må samplingsfrekvensen – antall målinger pr. sekund – være minst det dobbelte av den høyeste hørbare frekvensen (Nyquist/Shannon theorem).
På norsk betyr det følgende – mennesket hører opp til 20kHz. Hvis du ganger det med 2 får du 40.000Hz. Grunnen til at samplerate standarden på en cd-plate endte på 44.100 Hz er fordi i starten ble digitale signaler lagret på videomaskiner.
På et digitalt system som het Sony PCM 1630 ble det benyttet noen digre videomaskiner som brukte U-matic video tape. Dette var store videokassetter, langt større enn VHS kassetter.
U-matic – me?
Dette systemet hadde maskiner laget av Sony og var basert på TV systemet i Japan og USA nemlig NTSC. I Europa kjører vi PAL, som har noe dårligere spesifikasjoner. Systemet konverterer analoge signaler til digital PCM audio og kan lagre 6 samples i stereo – 3 i hver kanal og har 245 effektive linjer. Så regnestykket blir som følger 3 x 245 x 60frames/s = 44.100Hz.
Sony PCM 1630 systemet besto av en editor og to videomaskiner – DMR-2000 og DMR-4000 – som brukte et hav av tid til å synkronisere. DMR-4000 var et beist til mange hundretusen kroner og den beste maskinen fordi du kunne lytte og analysere masteren i en og samme prosess. Dette økte produktiviteten og ga deg mastere som var klare til å sendes til fabrikk og som det kunne lages glassmastere av.
U-matic systemet var den gang den enkleste, billigste og beste måten å overføre data fra masteringstudioet til cd-fabrikken. Jeg har ikke tall på hvor mange cd-mastere jeg har laget på U-Matic tape.
Oppsummert
På en cd-plate blir det tatt prøver av lyden 44.100 ganger pr sekund. Moderne innspillinger kan ha langt høyere samplingsfrekvens – 88.2kHz, 96kHz og 192kHz er ikke uvanlig. Drawbacket er at du bruker mer lagringsplass.
Krangelen har gått høylytt i mange år – hva vinner du egentlig på å gå opp? Utganspunktet er at jo høyere samplingsfrekvens, desto flere detaljer kommer med. Men det er i teorien. En høyere sample rate trenger ikke nødvendigvis gi bedre lyd, men krever garantert mer av maskinen din (mer RAM, CPU og harddisk plass). Mange mener 88.2kHz og 96kHz er best og at 176kHz og 192Khz bare er «min er større en din» tankegang.
Dan Lavry som har designet og laget noen av de beste konverterene på markedet har skrevet om sampling på nettstedet sitt www.lavryengineering.com hvor han skriver at høyere samplingsfrekvens enn 96kHz bare er keiserns nye klær og at 60kHz er den optimale samplingsfrekvensen. Uansett – det de fleste enes om er at A/D konvertere og D/A konvertere betyr svært mye for lydkvaliteten.
I neste artikkel skal jeg se nærmere på Bit Depth (orddybde).
Schilles LydBlogg 