你按下 DAW 上的录音键，用吉他弹奏一个和弦，或对着麦克风吹奏你的管乐，它就会像变魔术一样出现在屏幕上，任你随心所欲地操控。
但究竟发生了什么？
如果你曾想知道模拟信号是如何转换成数字信号的，这篇文章就是为你准备的--我们将进入深度书呆子模式，全面了解模数转换器的工作原理。
如果您对这一过程不甚了解，那么这篇文章就是为您准备的！了解模拟信号如何转化为二进制数字对任何音乐家来说都至关重要。
为什么每个音乐家都需要了解模数转换器？
每次录制模拟信号，甚至使用来自真实世界声音的采样，都需要使用模数转换器。
比方说，你录制了一段激情四射的吉他独奏，或者对你的狗打鼾进行了采样--这都无关紧要。
在幕后，一项重要的技术正在加班加点地工作，将模拟输入信号--来自麦克风或乐器的自然电流--转换为 Ableton 或 Logic（或任何您正在使用的DAW）能够真正理解的数字信号。
这一切中的无名英雄？模数转换器，简称 ADC。
无论您是在卧室录音室录音，还是在专业设备上混音，都会用到 ADC。它们存在于音频接口、声卡甚至手机麦克风中。
每当一种形式的模拟电压进入相关系统（比如你的声音传入麦克风），就会立即被采样、切片、测量并转化为数字数据。
那么，模数转换器是如何工作的，为什么它与音乐家息息相关？不管您是否意识到，您很可能已经在用 ADC 术语思考问题了。本指南将用通俗易懂的英语向您介绍转换过程，并使用真实的音乐示例来解释每一步发生了什么。
让我们揭开你不知道的、每天都在使用的最重要的科技产品的神秘面纱。
模拟与数字：我们到底在转换什么？
在深入了解模数转换器的工作原理之前，我们先来了解一下它们转换的是什么--将模拟信号转换成数字信号。
模拟信号自然环境中的音乐
在现实世界中，任何声音--你的声音、木吉他的拨弦声或踢鼓的咚咚声--都是模拟的。这意味着它像平滑的波浪一样连续移动。当它们是纯音时，我们称之为正弦波，它们代表随时间测量的信号振幅（对于像我这样的普通人来说，就是响度）。
当您说话或演奏乐器时，您产生的声波会使周围的空气流动，进而使您耳朵里的灵敏元件运动，这就是我们听到声音的方式。
当您录制同样的内容时，麦克风会捕捉空气振动并将其转化为微小的电流。该电流被称为模拟输入信号，其携带的电压被称为模拟输入电压（有时也称为模拟电压）。
这种电压不断变化；每一次呼吸、每一次拨弦、每一次身体表演的细微差别都存在于流动的信号中。模拟信号的电压范围反映了声音的响度变化。模数转换器的工作就是将这种模拟量转换成数字系统（如电脑或手机）可以处理的信号。
数字信号盒中二进制
与人类的耳朵不同，计算机听不懂平滑的连续波。它们的通信方式是二进制输出--一种只用两种状态表示信息的信号，通常是 0 和 1。这就是我们获得数字信号的方式。它是一组微小的步骤，试图用一系列固定值来模拟原始信号。
为了以数字形式存储、显示或处理音乐，我们需要将平滑的模拟信号转换为数字信号，即 DAW、插件和硬盘能够理解的一串数字。
朋友们，这正是模拟数字转换的意义所在。
当你通过音频接口录制模拟输入信号时，看着漂亮的波形像变魔术一样出现在 DAW 的编排页面上，你很可能已经见识过这一过程。这种采样信号的数字显示很酷，但图形背后是一长串二进制代码，代表着音频接口 ADC 的输出信号。
现实世界的类比：黑胶唱片与 Spotify
把模拟信号想象成一张黑胶唱片：唱针沿着连续的凹槽，直到唱片结束。另一方面，数字信号就像一个流媒体音乐文件--被切成碎片，经过测量、存储，然后只用数字发送到扬声器。
黑胶唱片细节精美，但易碎，不易分享。你需要黑胶本身，再加上可以播放的东西，而这两样东西都需要和你想分享的人在同一个房间里。除此之外，它还不能被编辑。
数字二进制代码版本可能会遗漏一些细微差别，但它是可编辑的，可以在 DAW 中使用。如果你的制作伙伴在地球的另一端，你还可以将文件发送给他们，让他们立即开始工作。
这就是模拟数字转换器的威力。Ka-pow！
模拟数字转换器的工作（为音乐家讲解）
值得注意的是，模拟数字转换器并不只用于音频。物理世界中的许多事物都具有模拟值。事实上，任何可以测量的事物，无论是声音、光线、温度，甚至是运动，都有一个可以转换为数字信号的模拟信号。
原理是一样的：将原始的模拟信号及其波动的电压电平，转换成可以轻松存储和编辑的数字输出代码。
但我们都是音乐人（甚至包括你，Nickelback），所以让我们来分析一下模拟数字转换器对音乐的具体作用。
每次插入麦克风或乐器，都会有一个模拟输入信号进入音频接口。该信号是一个电子波形，基本上是一个移动的电压值，实时反映声音。模数转换器的工作就是对输入电压进行采样，并分配给计算机能够理解的数字。
这就是从模拟信号到数字输出的过程。这一过程分为三个主要步骤：采样、量化和编码。
步骤 1：取样--切片时间
第一步是采样，ADC 每隔一定时间测量一次信号振幅（电压）。这种测量每秒进行数千次，其频率称为采样率（或采样频率）。
CD 质量的音频使用每秒 44100 个样本的采样率，即 44.1kHz。更高的采样率（如48kHz 或 96kHz）能提供更多细节，记录更高的频率。这是由于一个名为奈奎斯特定理（Nyquist Theorem）的概念所决定的，该定理指出，你只能捕捉到采样率一半以下的频率。
因此，从理论上讲，如果您的音乐完全由 5-10kHz 范围内的音调组成（您到底在想什么？），您需要至少 20kHz 的采样率才能准确录音。
步骤 2：量化 - 测量电压
采样完成后，ADC 将输入电压与参考电压电平进行比较。从零伏到参考电压的范围被划分为固定的步长。每一步都代表一个特定的数字。
在这里，我们会遇到一个微小的不匹配，即量化误差。出现这种情况的原因是，模拟信号可能落在两个数字级之间，如下图所示。
这就是比特深度的重要性所在。16 位 ADC 提供 65 536 个步进，而 24 位 ADC 则提供超过 1600 万个步进。显然（至少在这种情况下），越多越好。步数越多，转换过程就越精确。
对于音乐家来说，这相当于在较柔和的乐段中获得更好的细节，在较响亮的乐段中获得更大的余量。
步骤 3：编码 - 二进制输出
一旦 ADC 计算出信号属于哪一级，它就会将该电平转换为数字二进制代码，即一串代表输出代码的 0 和 1。
这是 DAW 接收到的最终数字数据。从这里开始，原始模拟信号将尽可能以数字形式保留下来。
组合在一起动感声乐
举例来说，假设您正在录制人声。您希望在不浪费存储空间的前提下尽可能多地保留细节，因此您将采样率设置为 48kHz，比特深度设置为 24。
话筒捕捉的是模拟输入信号--话筒话筒罩上气压的微妙变化，即模拟电压--换句话说，模拟信号是以电压形式测量的。
模拟输入电压每秒采样 48,000 次，每个片段（采样）都根据参考电压进行测量，然后转换成数字，以二进制数字形式发送到 DAW。
现在的数字信号看起来和听起来都像是平滑、连续的波形，但实际上是一个代码流。
这一切都是因为您值得信赖的 ADC 将模拟值转换成了计算机可以处理的数值。
模数转换器的内部构造--组件和流程
到目前为止，我们一直在关注全局--什么是输入，什么是输出。但是，模数转换器究竟是如何实现这一切的呢？
每个 ADC 内部都有一个超级智能的电子电路，负责处理所有神奇的事情。它将不断变化的模拟信号转换为数字信号，每次转换一个快照。让我们仔细看看发生了什么。
比较器电压决策者
ADC 的核心是一个比较器。比较器将输入电压与参考电压进行比较 提出一个简单的问题"输入电压比基准电压高还是低？"
ADC 就是通过这种比较来确定为每个模拟采样分配的数字值。每次麦克风或乐器产生电压（即声音）时，比较器都会将其与稳定变化的内部电压进行比较。当电容电压与输入电压相匹配时，系统就会锁定相应的数字代码。
电容器和电压阶梯
根据 ADC 类型的不同，生成比较电压的方法也不同。常见的是逐次逼近寄存器 (SAR)。
在逐次逼近 ADC 中，转换器使用一个微小的电容器来保持电压电荷。它将输入信号与一系列电压电平进行比较，就像一个猜谜游戏：
- 它首先猜测电压范围的中间值。
- 如果模拟值较高，它就会向上调整猜测值。
- 如果较低，则向下调整。
- 这个过程一直持续到找到最接近的匹配项为止。
这种相当聪明的来回切换是由时钟脉冲驱动的，时钟脉冲是确保一切保持同步的微小时间标记。每一个时钟脉冲都会使 ADC 向最终数字输出更近一步。
通过阅读来了解这一过程并不恰当。它以令人难以置信的速度发生--每秒数百万次--产生非常精确的音乐数字呈现。
斜坡和双斜坡 ADC
还有其他生成比较电压的方法，包括斜坡电压法和双斜率 ADC。这些方法更常用于电气工程--测试设备、控制流程、数字电压表等--但原理是一样的：将输入电压与不断变化的参考电压进行比较，直到找到匹配为止。
例如，在双斜率转换器中，输入信号在固定时间内对电容器充电，然后参考电压对其放电。返回零点所需的时间就是最终的数字--有点像声音的秒表，或者你正在测量的任何东西。
虽然这些比较器并不是普通音频接口中常见的类型，但它有助于说明有许多途径可以实现相同的目标：将连续转换为可数。
音频接口中的 ADC
那么，音频接口中的 ADC 是如何工作的呢？ADC 芯片接收来自前级放大器的电压输入。它（快速）将信号振幅与参考值进行比较，分配一个数字代码，然后将其传送给您的 DAW。这一切发生得如此之快，以至于您的系统可以实时记录这一切，几乎没有明显的延迟。
当人们谈论 ADC 性能或 ADC 的分辨率时，他们谈论的是这一过程的速度和精确度。质量更好的 ADC 能更忠实地捕捉原始信号，量化误差更小，电压范围更宽。
接下来会发生什么？播放说明
好了，你已经录制好了古色古香的合成音、人声或紧凑的低音。模数转换器捕捉了每个模拟输入信号，将其按时间分割，然后以 1 和 0 的数字信号流输出。那么，现在怎么办？
要将声音播放回您的耳机，我们需要逆向处理。这就是数模转换器（DAC）。
从数字到模拟 - DAC 的工作
如果将 ADC 视为麦克风或乐器的翻译器，那么 DAC 就是模拟设备的解释器。它接收二进制代码字符串（数字数据），并重建近似于原始性能的电压信号。录音室监听器和耳机输出的就是这种重建的模拟输出信号。
与模数转换器一样，数模转换器也是通过离散的时间信号进行工作，根据输入的数字代码，在每个时钟周期输出一个新的输出电压电平。这种阶梯式的电压形成输出信号，经过平滑处理后，又变成连续信号。
平滑度很重要 - 滤波和插值
问题是，当 DAC 重现原始模拟信号时，其结果是阶梯波形，而不是像您最初播放的那样的平滑模拟曲线。它更像是锯齿状的轮廓，而不是流畅的笔触。
为了解决这个问题，数模转换器会将信号送入低通滤波器，以消除因 "突然 "阶跃而产生的高频伪音。这种滤波器能使粗糙的边缘变得平滑，从而产生一种模拟信号，让你的耳朵听起来更自然。
有些系统还使用插值法来估计采样快照之间的波形，从而进一步改进结果。
这就是为什么音频接口输出的声音听起来流畅而富有音乐感，而不是机械和像素化的原因。高品质的 DAC 可以非常接近地再现原始模拟信号，尤其是以高采样频率和比特深度录制的信号。
往返之旅：音乐制作中的 ADC + DAC
因此，让我们来回顾一下音乐的完整往返旅程。
- 麦克风或乐器向音频接口发送模拟输入。
- ADC 对其进行采样，根据参考电压水平分配数字值。
- 由此产生的数字信号将被发送到您的 DAW。
- 在您添加效果、编辑或编排时，DAW 会实时处理数字表示。
- 当您按下播放键时，数模转换器会将数字信息转换成模拟输出。
这一循环在嵌入式系统、调音台和现场设备中不断发生。每次信号从模拟到数字再返回时，模数转换器和数模转换器都在协同工作。
为什么这对音乐家很重要
了解 "香肠 "是如何制作出来的，这些都很好，但对音乐家有什么实际影响呢？
- 跟踪现场人声或乐器时，低延迟至关重要
- ADC 的分辨率会影响安静的演出或具有微妙动态效果的演出
- 精确的 DAC 可确保您的混音在所有重放系统上都能获得最佳音质
如果模数转换器或数模转换器不能胜任工作，就会丢失细节、产生噪音或伪音，或在不准确的回放基础上做出错误的混音决定。这就是为什么专业音频接口（甚至是内置转换器的模拟设备）经常标榜其 ADC 分辨率、电压范围和基准电压精度。
DAC ≠ ADC
值得注意的是，在将数字信号转换回模拟信号时，您并没有撤销 ADC 最初所做的工作。一旦模拟信号被转换，就会产生一定量的量化误差，并可能造成数据丢失，这是不可逆转的。DAC 只需重建数字系统输出的最佳模拟版本。
这就像拍照一样，无论技术多么先进，都无法再现原始场景中的每一个分子。但只要有足够的分辨率和细心，就能非常接近。或者说，对于爵士乐来说，已经足够接近了。
是什么决定了 ADC 的质量和精度？
就像吉他手一样，并非所有的模数转换器都是一样的。录音的质量，从小军鼓的清脆，到人声的悦耳，都取决于 ADC 捕捉模拟信号并将其转换为数字系统的准确程度。
最重要的是
分辨率：比特与细节
ADC 的分辨率通常以比特为单位，它告诉你有多少个数字值可用来表示输入信号。
- 一个 8 位 ADC 可以产生 256 个值。
- 16 位 ADC 可提供 65 536 个数值。
- 24 位 ADC 可处理超过 1600 万个离散步进。
每增加一位，可能的数字代码数量就会增加一倍。代码越多，精度越高，量化误差越小，即实际模拟电压与最接近的数字值之间不可避免的差异。
在音乐方面，更大的分辨率意味着
- 保留更安静的细节
- 柔和的混响和尾音不会丢失
- 您可以混合更大音量的信号，而不会出现失真或削波。
对于高动态音乐，如爵士乐和管弦乐，更高的比特深度能为您提供更多的空间和技巧。
采样频率：时间切片
ADC 不仅测量输入电压，还知道何时测量。这就是采样频率或采样率，单位为千赫。
音乐中使用的标准值是
- 44.1kHz（CD 音质）
- 48kHz（视频和广播标准）
- 96 千赫兹（高保真音频，尤其是在音响设计师中间）
采样率决定了 ADC 每秒对输入信号进行快照的频率。如前所述，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍，才能准确再现信号。
由于人的听力一般在 20kHz 左右达到顶峰，因此要捕捉我们能听到的任何声音，所需的最低采样率为 2 x 20kHz，即 40kHz。再加上一定的量化误差余量，就得到了 44.1kHz - CD 刚刚问世时的黄金标准，当时 ADC 还是新生事物。
如果以更高的采样率录音，就能捕捉到更多的波形片段，从而产生更多的输入信号细节。这对以下方面尤其有用
- 尖锐的瞬态（如小军鼓敲击声或拨弦声）
- 具有大量高频内容的乐器，如钹
- 后期制作中的时间拉伸或音调转换--尤其适用于音效设计
不过，较高的采样率会增加文件大小和 CPU 负载，因此您必须在质量和实用性之间找到平衡。
基准电压和电压范围
ADC 的工作原理是将输入电压与参考电压进行比较。这就设定了转换器实际能测量的上限。
假设电压范围为 0-5V：
- 该范围内的任何输入信号都可以分配一个数字编号。
- 任何高于基准电压的信号都会出现剪切或失真。
- 太低可能无法清晰记录。
对于音乐设备来说，电压通常较低，通常在毫伏到伏特之间，因此需要对 ADC 进行相应的校准。
良好的设计可将 ADC 的范围与设备的输出电平相匹配。这就是为什么音频接口具有可切换的输入范围--如 Hi-Z 开关或增益级；它们能将信号安全地保持在已知的参考电压电平范围内。
量化误差：不可避免的权衡
由于模数转换器会将每个模拟量四舍五入到最接近的数字步进，因此总会出现少量误差。这就是量化误差，表现为低级失真或噪声。
优质 ADC：
- 使用抖动来随机化和平滑误差。
- 提供更高的分辨率，最大限度地降低其可听度。
- 优化电子电路，降低内部噪声。
在高端设备中，这是使录音听起来更流畅或更 "昂贵 "的部分原因。
真实世界中的 ADC - 规格之外
这还不是全部！在讨论各种 ADC 的优点时，您可能会听到以下术语：
- 信噪比（SNR）--信号的纯净程度。
- 总谐波失真 (THD) - 数据转换器如何忠实地避免添加色彩。
- 线性度--模拟电压水平与数字领域的均匀映射程度。
- 时钟抖动 - 在瞬态中造成斑点的定时误差。
所有这些都会影响数字化信号与原始模拟信号的接近程度。
例如，一个低端接口可能具有不错的比特深度和采样率，但时钟性能较差或前置放大器噪音较大。结果呢？你深情的原声吉他旋律可能还没进入你的 DAW 就已经失去了细微差别。
TL:DR - 面向音乐家的 ADC 快速总结
如果以上所述让您脑中一片空白，请不要担心。这里有一份快速检查清单，让您了解什么是 "好 "的音乐 ADC：
- 高分辨率 - 至少 24 位
- 足够的采样率--44.1kHz 对于流媒体来说没有问题，但如果你打算进入同步许可市场，就需要提供 48kHz 的采样率。如果你涉足声音设计，96kHz 将为你提供更多的采样空间。
- 量化误差、抖动或失真低
如果您关心清晰度、瞬态、动态，或者只是确保您的音乐听起来与第一次播放时一样，那么 ADC 就不是您想偷工减料的地方。
音乐世界中的模数转换器
在音乐制作和演奏中，模拟数字转换器无处不在。以下是它们的应用领域：
音频接口
每个音频接口都有一个 ADC。每当你将麦克风、合成器或吉他插入值得信赖的 Focusrite（也有其他品牌）时，ADC 就会启动。
采样器和特效
许多电子仪器和处理器都自带 ADC，通常还配有用于回放的 DAC。
- 数字采样器使用 ADC 来记录外部声音。
- 数字效果踏板将输入信号转换成数字信号进行处理，然后再转换回模拟信号。
重新取样、再取样、打印
一些不太明显的音乐制作工作流程也非常依赖 ADC：
- 从 DAW 出来的音轨经过模拟设备重新采样，再回到新的数字系统中。
- 对吉他进行扩音，就是将干信号从 DAW 输出，通过真正的音箱，然后在 DAW 中捕捉结果。
- 将硬件特效打印到 DAW 音轨上
在所有这些情况下，模拟数字转换器都在幕后默默工作。
为什么这些对您很重要
这是一个技术琐事的狂野之旅，但对于音乐创作者来说，这是需要了解的重要知识。ADC 的性能决定了音轨的原始素材。你可以拥有最好的麦克风、最紧凑的性能、最干净、声学处理最好的房间，但如果你的 ADC 达不到要求，你的原始信号就无法完整地传输到 DAW。
这就是为什么当涉及到 ADC 时，了解 ADC 非常重要：
- 选择音频接口
- 设置增益水平（即保持在电压范围内）
- 重新采样并打印外部硬件和效果
- 选择采样率
ADC 是模拟音乐世界与数字制作世界之间的守门员。无论您是在录制人声、黑胶采样，还是通过外置设备运行合成器，ADC 始终在那里，为您的创意提供可靠的数字家庭。
因此，下一次按下录音键时，请记住：你捕捉的不仅仅是声音，而是通过音乐制作中最强大的小工具之一，将能量转化为代码！
