这篇文章我们来说说信号流.
首先让我们感受一下这张图片.
很抱歉要让你看到这个, 我想, 不论多么专业的音频工作者, 看到上面这张图片都会感受到深深的痛苦.
信号流是个很宽泛的话题, 它可以事无巨细, 也可以高瞻远瞩. 这个名词, 是一个术语, 但也是一种工作方式, 理解信号流的工作方式, 它会在你迷失在一大堆线材与设备中时, 保持一个清醒冷静的头脑.
Signal Flow 信号流
我们都知道, 至少在这个世界中, 能量是会传递的, 任何事物, 只要发生了, 就会产生结果. 而声音信号也是一样, 只要有了声音信号, 它就必然会传递下去. 中途可能会转换不同的形式, 会弱化或加强, 但依然会继续传递, 直到从你的音箱中播放出来或变成你电脑上的一个数字音频文件, 那时它可能才会安静的躺着. 而这个信号经历的过程, 我们就称之为信号流.
那么我们就来看看, 在音频世界中, 一个信号到底会经历哪些奇妙的旅行, 最后传递到人们的耳中吧.
The Signal 信号的产生
声音信号有好几个来源. 自然声音, 来自于物理撞击后产生的通过介质振动传递的声波, 我们称之为原声. 电路放大或合成器生成的声音, 我们称之为电声.
“那电锯启动后产生的声音也是电声吗?” 呃, 那仅仅是链条快速摩擦的声音, 还是原声.
Acoustic 原声
原声需要传递时, 我们先要捕捉它, 这是信号流的第一步, 我们通过话筒捕捉原声. 话筒中的金属振膜, 在接收到空气振动后, 由内部的电路板记录下这些振动的频率与幅度, 并转换为电流信号. 再由尾部的XLR线材, 将这个电流信号传递出去. 由于用电流的大小来模仿声波的频率和幅度, 这种传递方式被称为模拟电路传输.
Electric 电声
那么, 电声信号是如何传递的呢? 其实很好理解, 电声信号分两种, 前面说过, 一种是电声乐器如电吉他, 一种是合成器. 电吉他的声音信号, 也类似于话筒对原声的捕捉. 电吉他在弹奏时, 引起的琴弦振动产生声波. 而就在琴弦下方, 安放着若干电磁拾音器, 它们就像微小的话筒一样, 也通过捕捉空气振动来拾取声音并转化为微弱的电流, 接着, 这些电流在经过吉他上的一些音量音色旋钮的调节后, 从电吉他尾部的接口输出. 由于这些电流极为微弱, 以至于必须通过放大器来放大电流. 因为, 电吉他的输出一般会先连接吉他放大器, 再由放大器传递到吉他音箱. 而吉他音箱和所有音箱一样, 内部将电流转化为振动, 造成声波回放出来. 这又回到了话筒拾音的那一步, 话筒继续将吉他音箱的声音转换为电流, 传递到其他设备.
而合成器会有一点点区别. 合成器其实没有任何外界的声波信号, 它的声音是由内部的声音发声器生成, 合成器分为两种, 模拟合成器与数字合成器, 模拟合成器通过制造各种电压来产生震荡和音高, 再通过各种参数改造声音, 最后以模拟方式, 即电流输出. 而数字合成器则是通过内置芯片, 能产生更多复杂的频率, 这些数字信号同样会经过各种调整, 最后在末端转化为模拟信号, 即电流输出.
The Path 信号的传递
接下来, 话筒, 吉他与合成器的信号将进入不同的系统传递, 一般分为OTB(Out of the box)模拟系统和ITB(In the box)数字系统.
Out of the Box 模拟系统
我们先来看OTB模拟系统. 模拟系统就是我们之前说的, 声音信号在转换为电流信号后, 就主要以这个方式传递.
声音信号在进入话筒转换为电流后, 话筒尾部的XLR接口, 会连接上第二道关口, 调音台. 我们常见的小型舞台表演, 通常就是完全由模拟系统完成. 歌手的话筒, 连接到了模拟调音台尾部的输入. 当XLR接口插上去, 电流信号进入到调音台, 就会在调音台里各个区域进行传递. 信号会先进入一个增益区, 在这里, 微弱的电流信号被提升, 变为一个强壮的信号, 进入到均衡区域, 在这里, 均衡区将信号中太强的低音去掉一些, 过于尖锐的高音也去掉一些, 再打发给下一个区域, 压缩. 压缩将时而高亢时而萎靡的信号拿捏成粗细均匀的样子, 再扔给音量区. 音量区将推子推起来, 一条强壮的电流就从调音台的背后传递了出来.
等等, 不应该是声音被传递出来吗? 不, 你刚才看到的一切, 都是电流. 我们正对着电流操作这一切呢. 我们能听到这一切, 是因为我们的耳机和音箱. 它们的内部恰恰是和话筒刚好反向的结构, 话筒通过振膜吸收振动发送给电路板转换为电流, 而电流则传递给电路板转换为驱动单位再传递给音箱或耳机的振膜, 从而形成声波, 再次恢复成声音.
而以上, 就是纯模拟线路的完整信号流. 声音, 由声波转换为电流, 再转换到声波, 成为声音.
OTB模拟系统的特点, 就是不依赖任何数字音频与电脑系统的帮助, 纯粹靠模拟硬件能力完成信号流的传递和记录. 在数字音频还未普及全球的时候, 大部分混音和母带工程师, 就是依靠模拟设备, 将信号流一步步的传递到磁带等保存介质上, 再由听众由磁带机转化为电流, 再转化到音响系统播放.
In The Box 数字系统
而ITB数字系统呢? In The Box数字系统, 就是我们目前广泛使用的数字音频系统. 在这种传输模式中, 信号会由模拟信号转换为数字信号, 以此完成大部分的传递, 仅在最终再次转换为模拟并播放出来.
信号进入数字音频的第一步, 就是进入音频接口, 音频接口内置了两块芯片, 模数转换和数模转换芯片(也称为A/D和D/A转换), 这些将会在后面用到. 我们将话筒的XLR接口, 插入音频接口的输入通道, 电流就开始向音频接口内部传递, 这时, 音频接口内部的模数转换芯片在收到电流后开始工作, 它会将模拟信号转换为数字信号, 继而通过音频接口和电脑系统的连接线如USB或雷电, 传入电脑.
我们通常需要在电脑中安装特定的软件, 用来将这些数字信号显示并记录下来. 比如常见的Audition. 它在收到音频接口的AD芯片转换的数字信号后, 将其解码为图形格式以让我们查看音频的波形. 与此同时, 音频接口也在随时待命,如果我们在Audition中进行监听, 那么播放的数字信号就会再经由音频接口内部的数模转换芯片, 被转换为模拟信号, 发送到音频接口尾端的输出, 此时信号在这里又转变为了模拟信号, 顺着电线进入音响系统. 音箱或是耳机在收到电流后, 再度转换为振膜振动, 将声音重现.
以上则是声音信号在ITB里, 以数字的方式进行传递, 只不过在回放的端口, 信号会转换回模拟信号, 和声波信号.
Analog 模拟与Digital 数字
所以我们看, 其实模拟信号, 就是电信号. 而数字信号, 一般是二进制的一串数字. 它们之间的区别最大之处在于, 模拟信号理论上是无限的, 模拟信号的值可以无限大, 而中间的连续性是无限小的, 也就是说模拟信号没有断层和断面. 而数字信号受制于二进制的处理上限, 在最大值上要以位数Bit为单位, 是有数据上限的, 同时又由于数字音频有Sample Rate采样率的概念, 也就无法做到连续性, 必须切片转换数据. 这也是为什么声音信号进了数字系统, 就要以规定的格式来记录了, 比如24位44kHz, 意思是24位的宽容度下, 每秒以44000个切片(采样)来进行传递.
模拟和数字的区别也可以延伸到生活中. 模拟信号传输, 通过电流, 类似于光学传输, 信息无穷而且速度极快. 就像真实的你反射到镜子中的你, 凑近了看, 可以发现每个毛孔, 皮肤的每个褶皱, 每根头发丝, 如果你加上放大镜, 甚至能看到螨虫. 而数字信号传输, 必须通过模数转换, Analog Digital Conversion, 这就导致一旦信息量巨大引起转换芯片负载, 就会加剧延迟. 这就像目前最棒最棒的3D游戏, 再逼真的人物, 只要你持续放大, 你总会发现马赛克(不是那个意思), 而且想要更真实的反映世界的光影, 你的延迟就开始不断增多, 甚至崩溃.
但数字信号也并非没有优点, 数字信号最大的优点是, 没有损耗. 虽然在模数转换的过程中, 模拟信号的无限性已经被数字转换成了有限性, 造成了巨大的损失, 但自此开始, 这个信号将不再损失, 不论你如何在网站, 服务器, U盘, SSD等介质中反复传递, 这个信号都是完整的(介质故障, 寿命到了或摔坏了不能算), 而且还具备可复制性, 因为数字信号传输不论快慢, 都必须等待数据链全部传输完毕才会确认, 且数据无法出现模糊值. 况且在数字系统中, 我们使用的各种数字效果器, 也永远不会因为时间的流逝而出现错误或失效. 而模拟信号则不同, 模拟信号虽然理论上无敌, 但它只要开始传输, 就开始损失, 因为电流会随着距离的延伸或一个个接口的衔接而衰减, 而反复进行电流放大则会添加过多的电气噪音从而干扰原始信号, 而且很多硬件音频设备元件, 也会随着时间而损耗逐步失效, 这些不确定性也导致了纯粹的模拟信号无法保证始终如一的质量.
以下是两张iZotope公司制作的录音与混音中信号流流程的图片, 也许能帮助你用最直观的方式弄懂信号流.
