Rockroll 版 (精华区)

发信人: like (离可), 信区: Rockroll
标  题: 深入剖析同步问题
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年03月03日15:55:12 星期天), 站内信件

 
Get in Sync 深入剖析同步问题
　
同步——就是将两件或是更多件的设备组合到一起，让它们一起进行录音和回放等工作。
可以说，同步是音乐工作室中一个最基本的要求。并且同步问题在模拟设备和数字设备中
都是存在的。在实际操作中我们会发现，将数字式设备进行同步比同步相应的模拟设备要
简单得多。现在，不同形式的数字式同步方法已经有太多种了，因此你可能无法对它们都
了解得十分清楚。在本文中，我们将一起来探讨同步中最为基本的概念，并且研究它们是
如何在数字模式下工作的。
首先，我们要搞清楚同步问题中最重要的两个元素：第一个是要同时开始，第二个是要以
相同的速度进行运行。为了后面说起来方便，我们简称第一个元素为“起始同步”， 第二
个元素为“连续同步”。在模拟设备的时代，通常这两种同步是使用同一种方法，例如SM
PTE 时间码。而在使用数字式设备时，这两种同步是相互分开的。
模拟设备的同步问题
让我们首先从模拟设备来谈起。在使用模拟磁带进行录音的情况下，起始同步和连续同步
通常都是使用SMPTE（电影与电视工程师协会）时间码来实现的。例如，你想同步两台模拟
式的24轨磁带录音机，那么你就得将两盘磁带都录上SMPTE 码（即你将时间码录制在磁带
的一个音轨上），然后再使用一台模拟磁带同步器来连接这两台录音机。
同步器同时监听两台设备上的SMPTE 时间码，并且直接控制它们的电动机，实现简单的传
送。当你按下了主设备上的播放键（Play 键）后，同步器就会不断调整两台设备回放磁带
的速度，直到它们都从歌曲中相同的位置开始回放为止( 例如在第二个和弦的开始处) 。
一旦完成了上述操作（有时这个操作需要经过一段时间），则起始同步就算实现了。
即使是同步器完成了上面的操作，磁带之间实现了同时开始，但是经过一段时间后，它们
又会逐渐产生漂移。这主要是因为各个设备中的电动机转速会有微小的差别，即使设备上
都标的是每秒钟走3 0 英寸，也不可能做到一点不差。为了解决这一问题，就需要同步器
在回放过程中不断监听两台设备上的SMPTE 时间码，不断地对录音机的转速进行调整，以
保持精确的连续同步。
模拟设备到数字设备的同步
将一台模拟式的音乐设备与一台数字设备进行同步，其基本概念与进行两件模拟设备的同
步是一样的，此时我们没有必要去关心这台数字设备到底是磁带录音机，还是硬盘录音机
。但是有一点是必须保证的，即这两个系统必须从同一时间点开始工作，并且一直保持着
相同的回放速度。像模拟设备中一样，我们需要使用诸如SMPTE或是MTC（MIDI 时间码）这
样的时间码来传达回放开始的信息。而连续同步问题，则会有些不同，这是由于数字音频
工作站中没有磁带电动机，也就不需要这方面的控制。此时控制回放速度我们必须使用字
时钟（word clock）来完成。
在数字音频录音系统中，包含了一段很长的独立采样数据流。你可以假设每一个采样数据
都占据了一小段磁带，就像模拟磁带是以一个恒定的速度通过磁头（例如每秒钟走30 英寸
）一样，数字音频录音设备的采样数据也是按照固定的采样率来流动的，例如44.1 kHz 或
是48 kHz。
字时钟就是通过精确的采样率来控制数字系统中数据的流动速度。每当时钟进行一次“滴
答”，则数字设备就要发送或是接收一个声音采样数据。举个例子来说，假如设备的采样
率是48k H z，则每秒钟内时钟就要“滴答”4 8 0 0 0 次。字时钟就是通过这种方法来控
制数字音频系统中的“磁带速度”的。实际上，在通常的数字磁带式录音系统中，字时钟
还用来控制磁带的实际物理转速（此处的物理转速即指磁带的真正转动速度，而非数据流
的传输速度），也就是说磁带的速度需要调整得与字时钟同步。
字时钟信号可以由音乐设备自身发出，也可以从外部的信号源接收到。许多数字音频格式
，如S/PDIF，TDIF，AES/EBU 和ADAT 光缆信号等都包括字时钟信号。当然，字时钟信号也
可以脱离开音频数据，单独进行传输。
将一台数字式的音乐设备与一台模拟设备进行同步，你需要将模拟磁带的速度来转换成相
应的数字设备字时钟信号。有许多种同步器都可以精确地实现这种功能，它们可以从模拟
录音机设备处读取SMPTE 或是MTC 码信号，然后通过这些时间码产生出一个字时钟信号来
（参见图1 ）。具有这种功能的设备有：MARK OF UNICORN 公司的MIDITIME PIECE AV，O
pcode 公司的Studio 64 XTC，Digidesign 公司的Universal Slave Driver 等。
下面我们举例进行说明：如果SMPTE 时间码的速度是每秒钟30 帧，而数字音频的采样率是
48kHz，那么SMPTE 时间码的每一帧就对应着字时钟的1600 个“滴答”（48000 ÷ 30 = 
1600）。通过同步我们可以实现，当模拟录音机的磁带转速变得快些或是慢些时，字时钟
就会控制数字音频系统中相应的速度加快或是减慢，从而保证两者的速度始终是同步的。

有些数字音频软件（如SAM 2496）或是硬件中已经内置了这种功能，因此不必用户去改变
硬件设备的字时钟速率。实际上它们的做法是，不断检测读入的SMPTE 或是MTC 码，然后
改变软件中的音频数据速度，最后再将经过处理的音频数据以恒定的采样率播放出去。
数字设备到数字设备的同步
与上面所介绍的模拟式设备组合和模拟/数字设备组合类似，数字设备之间也是通过时间码
来实现起始同步。根据设备的不同，它们可能是使用类似的MTC 码或是SMPTE 时间码，也
可能是使用特有的采样精度时间码（我们将在后面对此进行讨论）。
非常令人愉快的是，在全部使用数字设备的情况下，实现连续同步是非常方便的。此时你
不再需要直接控制磁带的物理转速，或是改变以SMPTE / MTC 码为基础的字时钟速率。相
反，你只要将各个设备的字时钟端口连接起来，这样它们就可以以完全相同的速度来回放
或是录音了，也就是说，它们都具有了相同的“磁带速度”。
你也许可以这样理解：当使用精确的数字式设备时，48 kHz 的采样率对于大家来说都是相
同的，因此使用字时钟来连接也就没有必要了。不过非常遗憾的是，实际情况并不完全这
样简单。就像每一台模拟式磁带录音机的速度都不完全相同一样，各个数字音频设备的采
样率也会有所差异。比如当两部数字音频设备都被设置为48 kHz的采样率时，实际上一台
设备可能是47.998 kHz，而另外一台设备可能是48.001 kHz。为了解决这个问题，我们可
以采用类似模拟设备中主设备/ 从属设备的方法。采样率在主设备上进行设定，而从属设
备的内部时钟此时被忽略掉，让它也使用主设备的时钟速率。这样就可以实现多部数字设
备之间的同步了。
你可以将每一部设备的字时钟理解成一个机械齿轮，这个齿轮上的每一个牙都对应着一个
采样频率。由于这些齿轮都可以绕着自己的转轴进行转动，因此它们可以是任何一个可能
的采样频率值。但是当两个或是两个以上的齿轮配合起来工作时，它们就会相互咬着进行
转动。每当一个齿轮转过了一个牙后，其他与其配合的齿轮也将转过一个牙，既不会多，
也不会少。
当数字设备中的字时钟实现了相互同步后，它们就会按照相同的速度来工作了。每当主设
备被设定了一个采样频率时，从属设备也会按照这个采样频率来进行回放或是录音。如果
两件设备在回放同一个数字音频文件，那么它们的回放速度将会极为精确地相同。
有一点是非常重要的：无论是在连续同步中，还是在任何情况下进行数字音频文件传输，
对字时钟同步的要求都是非常苛刻的。如果没有正确的字时钟同步，那么我们肯定会遇到
许多麻烦，包括噗噗声，喀哒声和失真等。
另外需要注意的是，对于标准的字时钟信号，每一次“滴答”就对应着一次采样过程。但
是也有例外，Digidesign 公司的系统使用的是一种名叫“超级时钟”（s u p e r c l o
 c k ）的方式，它的2 5 6 次“滴答”对应一次采样过程。这两种时钟是不能直接兼容的
，但是有些同步器中提供了这两种字时钟的选项。还有一些同步器甚至提供了专门的字时
钟输入/ 输出设置功能，用户可以在上述两种字时钟之间进行切换，此时你只要保证选择
了正确的字时钟选项就可以了。
设置字时钟
设置音乐工作室中的字时钟同步通常需要两个步骤。第一，各个设备的字时钟必须被真正
连接起来。你可以从主设备到从属设备建立起数字音频的连接并同时传送字时钟，比如将
S/PDIF 输出连接到S/PDIF 输入，将ADAT 光缆输出连接到ADAT光缆输入， 等等。
有些时候，你可能需要使用专用的字时钟电缆，比如当你进行比较复杂的设置时，或是你
所使用的是那种只有字时钟输入/输出口，但是没有数字音频输入/输出口的设备时。对于
较大的系统，你也可以根据各个设备上输入/输出口的情况来进行搭配与组合。
第二个步骤就是对从属设备进行设置，让它使用主设备上的字时钟。在电脑上使用数字音
频软件/ 硬件的组合时，这个步骤通常就是去设置软件中的“s y n c s o u r c e”（同
步信号源）或是“audio clock source”（音频时钟信号源）选项。在音频硬件设备上，
它们有可能是硬件面板上的一个按钮（例如ADAT XT 设备上的Clock Source 设置开关），
或是一个隐含起来的组合键（例如最早先的ADAT 设备）。对于一些比较古老或是简单的设
备，像DAT 录音机，它可以在数字输入/ 输出口被打开或是关闭时自动进行切换。更为精
彩的是，现在大多数新型的设备在这方面的功能更加灵活了。
如果你使用的数字音频软件支持以软件为基础的连续同步功能，那么就将这个功能给禁止
掉。我们将使用硬件设备上的字时钟功能。实际上，在有些情况下这些以软件为基础的连
续同步功能会对以硬件为基础的同步产生不良影响，从而导致问题甚至是整个同步过程失
败。在各种不同的软件中，这些参数的名称和设置会有一些区别，例如，在SEK ’D 公司
的SAM 2496 软件里，你应该打开Synchronization - Use Hardware Pitch（使用硬件同步
）功能，而在Cakewalk Pro Audio 中，你就应该将Audio Options 选项中的Advanced SM
PTE/MTC Sync 参数设置为Freewheel 。
其它的问题
在全数字系统中，很容易实现采样精度的连续同步。而起始同步的精确性则由你所采用的
时间码类型来决定。
例如，对于M T C 码来说，它提供的精度可以达到1/4 帧，其中每秒钟有30 帧，也就是说
精度为1/120 秒，这大致相当于48 kHz 采样率情况下的400 采样点。SMPTE 码可以提供更
高的精度，但是，如果你使用的是数字音频软件，在被软件接收到之前， SMPTE 码首先被
转换为MTC 码，这意味着此时你只能够使用MTC 码所提供的精度了。
与上面的情况相反，ADAT 和DA-88 的时间码是以字时钟为基础的。时钟的每一次“滴答”
就对应着时间码的一个“滴答”，包含了时间码与“磁带速度”的全部信息，使得用户即
可实现双向SMPTE 或全模拟系统的同步（参见图2 ）。这两种系统都可为起始同步提供采
样精度的同步时钟，即当采样率为48 kHz 时，精度就可以达到1/48000 秒，亦称采样精度
同步（sample-accurate sync）。
　
　
　
　
　
　
许多由计算机音频软件和硬件组成的系统也直接支持采样精度时间码（参见图3 ）。由于
计算机操作系统的细微差别，使用这种同步可能会取得很好的效果，也可能会遇到些麻烦
。尽管是这样，但它的精度还是要比MTC 码高不少。
精度和结果
那么，这种提高起始同步精度的优越性到底体现在哪些方面呢？其中最吸引人的用途之一
就是使用计算机来编辑多轨录音机中的各个音频轨。这时，使用这种采样精度同步，数据
就可以以非常高的精度由录音机传给计算机，并经计算机编辑完成后再精确地传回的多轨
录音机上。
为了测试这种不同，你可以使用数字多轨录音机录制一段声音，然后传送到计算机的音频
软件中，首先使用采样精度同步方式，第二次采用MTC 时间码方式。同时回放计算机中的
音频数据和数字多轨录音机上的音轨，同样，首先使用采样精度同步，然后再使用MTC 码
同步，对这两次进行比较。于是你就会注意到，使用采样精度同步的音轨声音较大，并且
只有很少或是根本就没有相位偏移，而使用MTC 码的音轨则声音较小并且有明显的相位偏
移。
类似，在使用M T C 码同步的情况下，如果各音轨数据通过不同的录音途径进行传输，就
会造成可以察觉到的相位变化。在传输对相位比较敏感的声音时（例如使用多只麦克风录
制的鼓组声音），要想得到最好的结果，应该尽量让所有的音轨都通过相同的信号路径。

尽管采样精度时间码具有较高的精度，但是你要知道，你所拥有的绝大多数CD 都是使用S
MPTE/ MTC 时间码同步方式来录制的（如果这个音乐节目中使用了同步码的话），而且它
们听起来都非常不错。因此，如果你只能够使用SMPTE /MTC 方式进行同步的话，也不必想
太多，放心去用就是了。
同时，你还要记住一点，无论开始点的精度如何，连续同步都需要一个适当的字时钟设置
来保证。因此，将注意力放在这些字时钟上，你会得到非常令人满意的同步结果。
( 全文完） 
 

--
                                                                                          
  经过马路旁成堆的垃圾，经过积满污水的商用占地，                                      
                                                                                                              
           经过整夜痛苦的失眠与不安，跨入美丽辉煌的二十一世纪？？                                             
                                                                                                      
      

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 218.7.32.244]