简述同步信号和时间码

文/[美]布伦特·胡佛 编译/何青青

简述同步信号和时间码

文/[美]布伦特·胡佛 编译/何青青

介绍同步信号和时间码的概念、原理与使用等基础知识。

时间码；同步信号；SMPTE；MTC

什么是时间码?

时间码是和一段视频或者与音频一起录制的一种简单的“时间”记录方式。比如：歌曲开始于0秒，而钹在2分53秒敲击。信号随即就和音视频媒体一起存储起来，当信号从一台设备转移到另一台设备时，时间码保持不变。

最普遍的时间码格式是SMPTE。它最早的开发目的是为电影做声音的同步，此后用于音视频。

另一种常用的时间码格式就是Midi Time Code（MTC）。

同步信号如何工作?

想象一下在这个世界上你和你的朋友两人只有两只表，除了你自己这只，没有其他时间参考标准。一天稍晚些的时候，你需要准时开会。没有一只表是绝对准确的——可能你的那只稍微慢了点，你朋友那只又稍微快了些。 结果一天下来这两只表的时间差为10 s。

你的表慢10 s也许生活中没问题，但对打击乐器钹来说就太糟糕了。音频中，甚至瞬间的延时都会出现重音现象（doubled vocals）。

第二天，为避免这种时间差，你选一人作为“主人”，选另一个作为“从属”。“主人”打电话给“从属”，每过几秒就说明具体时间，这样从属者就可以重新将自己的手表设置成跟“主人”的同步。虽然，这种方式对于人类来说也许比较麻烦，但对于设备却很有用。

同样，每一个时间码装置都必须选定某一台设备作为主设备（只能是一台），选定一些设备为辅助设备。通常设备的限制性决定了哪一台设备为主，哪些为辅。比如，模拟的多声道往往不会作为辅助设备使用，因为它们中很多都不能追寻时间码。

如何使用时间码?

笔者提供两种使用时间码的情况，一种用于音频同步，一种用于视频同步。

只有音频的情况——SMPTE时间码经常用于音频设备，用于同步自动缩混或者将音序器同步到一台模拟多轨录音机。混合前按SMPTE要求在磁带某些点上做标记。

这就意味着时间码是作为一种音频信号在磁带上的一轨被录制的。通常使用外磁轨以减少串音。很多设备都有时间码的功能，典型的做法就是将唱机的输出端口接入调音台面板。（如MOTU MicroExpress和Emagic Unitor8等设备。）

像任何其他音源一样，时间以实时方式记录，设置适当的电平值，不加EQ。

音频设备的帧频一般为30 fps（帧/秒），因为这样正好跟实时匹配。

许多MIDI设备专为音频设备设计，使用30 fps进行读写。（不使用30 fps时可查阅下面“视频同步”部分。）这类SMPTE叫作LTC（用于线性或者纵向时间码）。

时间码是线性的，同样磁带也是线性的——这就如同音频，如果磁带停止播放，就不会产生时间码，就像没有了音频信号一样。SMPTE的另一种类型VITC不能用于音频，因为它不能在音频声道上录制。

键盘部分等可以在音序器里或调音台上被记录并进行自动缩混（如果调音台本身支持自动缩混）。记录之后时间码被转化成MIDI格式的时间码（MTC）。（SMPTE可以通过不同的接口转成MTC格式。）

时间码允许模拟多声道作为主机。而多声道必须是主机，因其最不稳定。由于是机械设备，因此容易“抖晃”（速度有些小的变化）。磁带播放时，这些变化往往察觉不到，但是随着时间的推移会导致音序器漂移脱离同步。

比如，第一次播放混音节目时，大鼓和钹之间的间隔是0.98 s，第二次播放时就变成了1.01 s。这两种情况下，时间码只允许节目从0开始，23 s，22帧。（当然没有视频也要用到帧）。因此，钹敲下之前就没声了。

要注意的是，尽管数字调音台不易受漂移影响，但是时间码仍然用于将它们跟其他设备同步。要同步多路相同的设备比如ADAT或DA-88，可以经常使用一种专用的同步方式，那样便于设置。

视频同步——这种情况时间码选择变得更有意思，因为我们有好几种SMPTE时间码类型。

最简单的视频同步方法的使用类似上文提到的音频设备同步：VHS录像机将LTC时间码录在其中一轨音频声道上（作为主机）。

被同步的设备（辅助机）读取该时间码然后追寻它。棘手的是需要决定选用哪种类型的SMPTE。

若使用30 fps（帧/秒）的SMPTE，一秒对应一秒。那么NTSC彩色视频在30 fps时不会运行，而是在29.97 fps时运行。为什么视频会这样呢？

这要从视频说起：它就像人的生命，黑白两色时很简单。但介入颜色后，它们就会以0.03帧的间隔来填补颜色信息。

当帧频为29.97 fps时，第二个节目不再是第二个节目，而是延长了。而这对电视从业者的影响很大。所以他们采取了“丢帧”的方法。

这就意味着必须丢掉几帧才能使SMPTE时间与实际时间相匹配。

所以，SMPTE的帧频就有30 fps，29.97“丢帧”和29.97“无丢帧”三个速率。事实上，所有这些问题的关键是需要一种可以处理所有不同帧频的工具，而且必须准确知道所使用的需要同步的视频帧频是多少。

很多MIDI设备提供SMPTE，但是很少会提供所有必须的帧频。其他SMPTE帧频包括用于电影的24 fps以及用于PAL/SECAM视频的25 fps EBU时间码格式。

因此，需要一种像MOTU数字时间码的设备，可以处理帧频的范围。如果同步到一个音序器程序或者多声道软件，那么软件可能会处理同步问题。

一台能处理所有帧频的硬件就是DA-88八轨数字录音机，通过加载一张SY-88卡；另外还可以选择MOTU Midi Time Piece AV或DA-78HR。

胶片电影会如何?

处理视频同步最后一个非常重要的细节来自电影。大多数专业的电影仍然用胶片播放。但当电影进行后期制作时，它通常被转换成视频格式。正如前文提到的那样，电影的帧频为24 fps，视频则为29.97 fps。所以转换时，电影的帧频必须“延伸”到跟视频相同。

为了能够匹配，音频必须也要延伸。这种延伸叫作“下拉”（pull-down）格式，它将音频的长度增加了0.01%（当然音调会相应地降低）。

所以，当使用录像磁带时，必须使用pull-down格式的音频以便能跟视频保持同步。任何添加的音频（如音乐或者来自DAT的音频），也同样要求pull-down格式。

当音频被转换回电影时，如果音频格式已经下拉过，就不能再下拉，或者接收到已经下拉的音频后可以将它“上拖”（pull-up）。如果遇到这种不寻常的情况，就需要软件或者硬件来处理同步。

（本文编译自 www.prosoundweb.com网站《Synchronization and Timecode Basics》一文。）

（编辑 张 翔）

Synchronization and Timecode Basics

Original/[USA]Brent Hoover Translate/HE Qing-qing

The paper introduced the concept, principle and use of synchronization and timecode.

timecode; synchronization; SMPTE；MTC

10.3969/j.issn.1674-8239.2010.11.007