Analogisen ja digitaalisen äänityksen mitattavat erot

Abstract

Ääntä tallennetaan pääasiassa kahdella tavalla: analogisesti kelanauhurilla tai digitaalisesti A/D -muuntimella. Kelanauhuri tallentaa äänisignaalin liikuttamalla magneettinauhaa vakionopeudella nauhurin nauhoituspään ohi, joka magnetoi nauhan rautaoksidipinnoitteen muuttuvan magneettikentän avulla. A/D -muunnin ottaa tallennettavasta signaalista näytteitä mittaamalla sen jännitettä tietyllä näytteistystaajuudella. Näytteet pyöristetään, eli kvantisoidaan, digitaalisiksi kokonaisluvuiksi ja tallennetaan tietokoneelle.

Tämän kandidaatintyön tavoite oli selvittää kirjallisuustutkimuksen keinoin digitaalisen tallentimen ja analogisen kelanauhurin toimintaperiaatteet ja miten äänitteen taajuusvaste ja dynaaminen alue määrittyvät kummankin äänitysmenetelmän tapauksessa. Lisäksi analogisen ja digitaalisen äänityksen epäideaalisuuksia tutkittiin kokeellisesti mittaamalla, työssä mitattavat laitteet olivat analoginen Studer A812 -stereonauhuri ja digitaalinen Motu 1296 -tallennin. Mittauksilla pyrittiin etsimään jotain perustavanlaatuisia mitattavia eroja analogisen ja digitaalisen äänityksen välillä. Edellä mainituilta laitteilta mitattiin SNR, THD+N ja IMD. Lisäksi näille tehtiin taajuus-, amplitudi-, ja transienttivastekokeet.

Kelanauhurin taajuusvasteen määrittää nauhoituspään ilmaraon leveys ja dynaaminen alue määräytyy magneettinauhan ominaisuuksien perusteella. A/D -muuntimen taajuusvaste on puolet näytteistystaajuudesta ja dynaaminen alue riippuu kvantisointiin käytettyjen bittien lukumäärästä. Mittausten perusteella havaittiin Studer A812:n harmonisen kokonaissärön (THD+n) olevan n. satakertainen Motu 1296:een verrattuna (0,89 % vs. 0,00883 %). Motu 1296:den signaali-kohinasuhde (SNR) oli suurempi (87 dB vs. 54 dB) ja taajuusvaste tasaisempi (±0,3 dBV vs. ±2,3 dBV) Studer A812:een verrattuna. Kelanauhurin äänitteeseen aiheuttamalla voimakas särö todennäköisesti vaikuttaa kuuntelukokemukseen, esimerkiksi kelanauhureille ominaisen huojunnan aiheuttamaa säröä mallinnetaan joskus keinotekoisesti myös digitaalisissa äänitteissä.

There are two main ways of recording sound: analogue recording with a tape recorder and digital with an A/D -converter (ADC). A tape recorder uses an alternating magnetic field around the recorder’s record head to magnetize the passing magnetic tape according to the recorded signal. An ADC measures the voltage of a given signal with a specific sampling frequency, the samples are then quantized to digital integers and saved onto a computer.

The objective of this bachelor’s thesis was, by means of literature study, to explain the op-erational principles of digital ADCs and analogue tape recorders and find out which factors determine the frequency response and dynamic range of both recording methods. A series of measurements was also performed with the objective of finding out whether there exist-ed some sort of fundamental differences in the performances of tape recorders and ADCs, the measured devices were the analogue Studer A812 -tape recorder and Motu 1296 digital recorder. The chosen series of measurements was SNR, THD+N, IMD and frequency-, amplitude-, and transient response tests.

The frequency response of a tape recorder is determined by the air gap of the record head and dynamic range by the properties of the tape used. The frequency response of an ADC is half of the sampling frequency and the dynamic range is dependent on the amount of bits used in the quantization process. Studer A812 was measured to introduce roughly a hundred times more harmonic distortion and noise than the Motu 1296 (0,89 % vs. 0,00883 %). The SNR of the Motu 1296 was greater than Studer A812’s (87 dB vs. 54 dB) and the frequency reponse was flatter (±0,3 dBV vs. ±2,3 dBV). The distortion levels introduced by a tape recorder most likely influence the listening experience and distortions specific to tape recorders, flutter for example, are sometimes artificially emulated even in digital re-cordings.