模拟和数字录音是如何工作的

托马斯·爱迪生他于1877年发明了第一台录音和回放声音的设备。他的方法使用了一种非常简单的机械机制来存储模拟波。在爱迪生的原始留声机时，膜片直接控制针，针将模拟信号刻划到锡箔圆筒上:

你一边转动圆筒，一边对着爱迪生的装置说话，然后针头就会把你说的话“记录”到锡上。也就是说，当横膈膜振动时，针也振动，这些振动在锡上留下了深刻的印象。为了播放声音，唱针在录制过程中划痕的沟槽上移动。在播放过程中，压进锡的振动导致针振动，导致隔膜振动并播放声音。

这个系统改进了埃米尔柏林1887年生产留声机，也是一种使用针和隔膜的纯机械装置。留声机的主要改进是使用带有螺旋槽的扁平唱片，这使得大量生产唱片变得容易。现代的留声机也以同样的方式工作，但唱针读取的信号是通过电子放大的，而不是通过机械膜片直接振动。

爱迪生留声机里的针在锡筒上刮来刮去的是什么?这是一个模拟波代表你的声音所产生的振动。例如，这张图显示了说“hello”这个词所产生的模拟波:

这种波形是用电子而不是锡纸记录的，但原理是一样的。这张图显示的是，本质上，这个麦克风的隔膜(Y轴)随着时间的推移(X轴）.振动非常快——膜片的振动顺序是每秒1000次振荡．这就是爱迪生装置里锡箔上的波纹。注意，单词“hello”的波形相当复杂。纯音就是以特定频率振动的正弦波，比如500赫兹的波(500赫兹=每秒500次振动):

你可以看到模拟波的存储和回放是非常简单的——在锡上刻划无疑是一种直接和直接的方法。这个简单方法的问题是忠诚不是很好。例如，当你使用爱迪生的留声机时，你想要的信号会存储很多刺耳的噪音，而且信号会以几种不同的方式失真。此外，如果你反复播放留声机，最终它会磨损——当唱针经过凹槽时，它会轻微改变(最终擦除)。

在一个CD(和任何其他数字录音技术)，目标是创建一个记录与非常高保真(原始信号和复制信号之间非常相似)和完美的复制(无论你播放多少次，每次播放录音的声音都是一样的)。

为了实现这两个目标，数字记录将模拟波转换成数字流，并记录数字而不是波。这种转换是由一种叫做模拟-数字转换器(ADC)。为了播放音乐，数字流被转换回模拟波数模转换器(DAC)。DAC产生的模拟波为放大然后喂给演讲者发出声音。

只要数字没有损坏，DAC每次产生的模拟波都是一样的。如果模数转换器以高速率采样并产生准确的数字，DAC产生的模拟波也将与原始模拟波非常相似。

如果你能更好地理解模数转换过程，你就能理解为什么cd具有如此高的保真度。假设你有一个声波，你想用ADC对它进行采样。这是一个典型的波(假设横轴上的每一个点代表千分之一秒):

当你用模数转换器对波形进行采样时，你可以控制两个变量:

在下图中，我们假设采样速率为1000 / s，精度为10:

绿色矩形代表样本。每千分之一秒，ADC就会观察波形并在0和9之间选择最接近的数字。选择的数字显示在图形的底部。这些数字是原始波的数字表示。当DAC从这些数字重新创建波时，你会得到如下图所示的蓝色线:

你可以看到蓝线失去了很多原来在红线中发现的细节，这意味着再现波的保真度不是很好。这是抽样误差．你可以通过增加采样率和精度来减少采样误差。在下图中，速率和精度都提高了2倍(20个梯度，速率为每秒2,000个样品):

在下图中，速率和精度又增加了一倍(40级，每秒4000个样品):

您可以看到，随着速率和精度的增加，保真度(原始波形和DAC输出之间的相似性)也会提高。对于CD的声音来说，保真度是一个重要的目标，因此采样率是每秒44100个采样，梯度的数量是65,536个。在这个水平上，DAC的输出与原始波形非常接近，声音对大多数人来说基本上是“完美的”人类的耳朵．

关于CD的采样率和精度的一个问题是它会产生大量的数据。在CD上，ADC产生的数字存储为字节，它需要2字节来表示65,536个级别。有两个声音流被记录(一个立体声系统的每个扬声器)。一张CD最多可以存储74分钟的音乐，所以CD上必须存储的数字数据总量是:

44100 samples/(channel*second) * 2 bytes/sample * 2 channels * 74 minutes * 60 seconds/minute = 783,216,000 bytes

这是很多字节!要把这么多字节存储在一块廉价的塑料上，这片塑料足够坚固，能经受住大多数人对CD的滥用，这可不是一件容易的事，尤其是考虑到第一张CD是在1980年问世的。读CDs是如何工作的完整的故事!

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