?

經(jīng)過“采樣”系列的文章講解，大家應該了解了什么是采樣率、什么是采樣深度、什么是抖動，以及高采樣率的意義。其中，高采樣率有一個特別重要的功能就是“抗混疊”。如果采樣率不理想，則對于超過奈奎斯特頻率的信號的采樣會產(chǎn)生令人不適的混疊效應。那么，我們日常使用的音頻接口，對混疊的應對方法是怎么樣的呢？

今天這篇番外篇，是一次“實驗報告”。我們使用了三個不同價位、不同型號的音頻接口測試了抗混疊性能。在此，先特別感謝廣州龍維電子科技有限公司和肖笙老師在這個測試過程中的大力支持和技術協(xié)助。

?

我們用到的聲卡，分別是入門級的MIDIPLUS Studio 2 Pro、工作室常用的MOTU 828 MK3，還有頂級桌面聲卡Apogee Symphony Desktop。這三個聲卡的價位，從千元到萬元以上，覆蓋了各類用戶的需求。在聲卡性能測試方面，對于頻率響應、動態(tài)范圍、底噪、失真等參數(shù)，其實已經(jīng)有很多團隊進行過測試。不過對于抗混疊性能，我還真沒有看過。

我們的測試過程非常簡單：使用一個信號發(fā)生器，輸出純凈的特定頻率的正弦波和方波信號，分別進入到三個不同聲卡的輸入端口，在合適的電平下進行錄音。通過控制信號發(fā)生器進行掃頻，并分別在不同的采樣率下進行錄制，最后使用頻譜圖來觀察頻率的分布，就可以看到混疊發(fā)生的頻段了。

?

在44.1kHz下，MIDIPLUS、MOTU、Apogee的聲卡錄制的掃頻正弦波信號的頻譜圖如下：

?

有必要解釋一下圖片里各個元素的意義：

?

這個頻譜圖，我使用的是-96dB到0dB的顯示范圍，這意味著在16bit下，有效的信號內容。其中每一個豎線，其實是因為切換頻率時，信號發(fā)生器產(chǎn)生的突變的信號，可以忽略：

?

其中，基頻之上存在一條顏色比較淡的曲線，這就是諧波失真，但是他們并不算多，只能調一下頻譜圖的顏色尺度才能看清楚：

?

?

在低頻率區(qū)域，可以看到一些一直存在的頻率，這些是硬件設備中的嗡鳴(Humming)，和電氣環(huán)境有關：

?

混疊的地方在這兒：在輸入頻率超過22.05kHz之后，信號仍然被記錄下來，只不過頻率越來越低，這就是欠采樣后的高頻信號：

?

其實還不只這么多，當我把頻譜顯示的動態(tài)范圍調整一下之后，可以看到這些混疊是可以覆蓋到整個頻段的，而且三個聲卡全無例外：

?

?

這也驗證了一個結論：不存在（模擬電路中的）完美的磚墻濾波器。即使是最頂級的聲卡，它的濾波器也存在滾降，只不過它們讓聲音衰減了很多，比人耳能察覺的更低罷了。并不能完全去除混疊！

?

通過波形，我們還能大概猜出每一個聲卡的抗混疊濾波器的形狀，大概是這樣的：

?

在更高的采樣率中，這三個聲卡的表現(xiàn)又如何呢？

?

在96kHz和192kHz的采樣率中，Apogee終于充分展現(xiàn)了頂級聲卡的優(yōu)勢，實際上在96kHz和192kHz下，Apogee的抗混疊濾波器性能都更好一些，截止頻率比另外兩者更高（以192kHz為例）：

Apogee Symphony Desktop的截止頻率比另外兩個聲卡都高一些，當然犧牲了一定的諧波失真，而MOTU 828mkiii對Humming的控制真的是最好的。

?

從時域波形也可以猜出來，Apogee的抗混疊濾波器在192kHz下滾降是最快的：

?

這些結論可以給我們什么樣的啟示呢？我認為有以下幾點：

?

1. 聲卡的抗混疊濾波器的設計是建立在“不破壞奈奎斯特頻率以下的信號”的基礎上的。也就是說，如果你的聲卡的采樣率是44100Hz，即使要錄制的信號中有22049Hz的信息，也會被無損地錄制下來。它們不希望因為抗混疊而影響到這些無辜的頻率。

?

2. 聲卡的抗混疊濾波器的曲線，總會控制到在18kHz以下（多數(shù)人耳可聽部分）基本不會被干擾。比如我換成方波信號進行測試，即使對于這樣的諧波豐富的聲音，聲卡也會讓混疊不跑到18.5kHz以下：

?

3. 如果你希望你的聲音盡量干凈，請使用更高的采樣率進行錄制，比如96kHz，這將會盡可能保護一些高于20kHz的信號，尤其是在錄制音效、擬音的過程中，后期很可能會對它的頻率進行大改動，所以此時請確保在可用頻率內盡可能干凈。事實上，雖然我們熟知的編曲音源多數(shù)在44100Hz和48000Hz下采樣，但是涉及影視音效的素材基本都是96000Hz采樣的。

?

4. 很多效果器的建模過程中沒有考慮到上采樣的必要性，尤其是壓縮類效果器。很多時候，我們會覺得“硬件壓縮好像就是比軟件的好聽，不過有些軟件壓縮也確實不錯”——這就是因為有些軟件效果器中并不考慮上采樣，混疊已經(jīng)干擾到可聽頻率了。這一點要尤其注意，解決方法有兩個：要不就統(tǒng)一使用96kHz等高采樣率進行混音，要不就是用有上采樣功能的插件。為了避免糾紛，我不公開我這個壓縮器的具體品牌，只是請大家看看，混疊對插件效果的影響：

?

一個單純的掃頻信號：

經(jīng)過沒有過采樣的壓縮器：

?

經(jīng)過了過采樣的壓縮器：

?

經(jīng)過了過采樣處理后的聲音，幾乎不存在混疊，頻譜圖上肉眼可見的干凈，聽覺上也是。因此，留意你的插件有沒有過采樣的功能吧，這種“軟件味”并不是不可以去除的。

?

采樣系列的文章到此完結，歡迎大家后臺留言提問，也歡迎大家期待接下來的新系列文章。謝謝！

本文作者：艾夫

音樂制作人、編曲人、混音師、艾楽音樂工作室主理人、華中科技大學光電信息專業(yè)碩士。