Цифрово аудио DSD срещу PCM
Цифров звук. Колко много митове се въртят около тази фраза. Колко много спорове възникнаха между любителите на удобството и качеството на цифровото и привържениците на "живия ефирен" винилов звук, умножен по звука на "топлата тръба". Освен това има много спорове между цифровите любители: достатъчно ли е 16x44.1 или е необходимо 24x192? Кое е по-добро: мултибит или делта сигма? CDDA или SACD? PCM или DSD? В тази статия ще се опитам да изложа основите на цифровия звук на прост език и също така ще се спра по-подробно на сравнението на два вида аналогово кодиране на сигнала с цифрово: DSD и PCM. Първо, нека отговорим на въпроса какво е цифров звук? Как се различава от аналоговия? Накратко, математически термини, аналоговото аудио е непрекъсната функция, цифровото аудио е дискретна функция. Какво означава?
аналогов сигнал
Ако начертаем във въображението си графика на синусоида (така най-често се изобразява звукова вълна): тогава без значение как я увеличаваме, опитвайки се да разгледаме всички детайли, винаги ще виждаме гладка гладка линия: това е аналогов аудио сигнал (фиг. 1).
Аналоговият звук (запис) има много параметри, по които може да се оцени качеството му. Помислете за трите най-важни: честотен диапазон, динамичен диапазон, изкривяване.
Честотният диапазон е набор от честоти, съдържащи се в звука. Общоприето е, че честотният диапазон на човешкия слух е 20 ... 20 000 Hz (понякога се посочва 16 - 22 000 Hz). Сам по себе си честотният диапазон на музиката не представлява интерес по отношение на оценката на качеството (например честотният диапазон на същия излитащ самолет ще бъде много широк, а вокалната част на тенора ще бъде много по-тясна).Качественият параметър на, да речем, слушалките е потенциалният честотен диапазон и се оценява с помощта на амплитудно-честотната характеристика (AFC). Идеалната честотна характеристика - права линия в целия диапазон от слухови честоти - означава, че източникът на звук не усилва или отслабва нито една отделна честота, което означава, че извлеченият звук съответства на оригинала.
Динамичният обхват (DD) е разликата между най-тихия и най-силния звук. Силата на звука се измерва в децибели (dB). Общоприето е, че максималната сила на звука, която не причинява нараняване на човек, е 130 dB - звукът на излитащ самолет, а минималната сила на звука - 5 ... 10 dB - на нивото на шумоленето на листата при слаб вятър. Естествено, ще бъде невъзможно да се различи шумоленето на листата на фона на излитащ самолет, а слушането на музика с ниво от 130 dB е изключително неприятно. Поради това е общоприето, че удобният DD за слушане на музика е 80 ... 100 dB.
Изкривяването не е нищо повече от отклонение на сигнала от оригинала.
Принципи на цифровото звуково представяне
Какво се случва, когато аналоговото аудио се цифровизира? Няма да се задълбочаваме в техническите аспекти, ще анализираме всичко, както се казва, на хартия: за това ще начертаем нашата въображаема „идеална“ синусоида и ще измерваме стойността на сигнала на редовни интервали (този процес се нарича вземане на проби или квантуване): ще получим определен последователен набор от стойности - това ще бъде нашият цифров сигнал, получен чрез модулация на импулсен код (PCM) (фиг. 3).
Двата основни параметъра за качество на PCM сигнала са честота и битова дълбочина. Честотата е броят измервания в секунда, колкото повече са, толкова повечесигналът се предава точно. Честотата се измерва в херци: 44100 Hz, 192000 Hz и т.н. Битовата дълбочина е броят на възможните стойности на стойността на сигнала (точността на прехвърлянето на стойността). Колкото повече опции, толкова по-точен е сигналът. Дълбочината на битовете се измерва в битове: 16 бита (65.536 възможни стойности, DD 96 dB), 24 бита (16.777.216 стойности, DD 144 dB) и др.
Но това не е единственият начин за представяне на звукова вълна в цифрова форма. Има начин да се отървете от такъв параметър като битова дълбочина, оставяйки само две нива на амплитуда: -100% и +100% (0 или 1). За да постигнете това без загуба на качество, трябва да умножите честотата на отчитане на стойността на сигнала (фиг. 4).
Този тип цифрово аудио представяне се нарича модулация на плътността на импулса, най-често за него се използва съкращението DSD. Всъщност единственият качествен параметър на такъв сигнал е честотата. Но тъй като използваните честоти са много високи (от 2.822.400 Hz), такива числа са трудни за запомняне, обичайно е честотата на DSD сигнала да се разделя на 44.100 Hz. Полученото число е показател за качество: DSD64 (DD 120 dB), DSD128, DSD256 и др.
Възстановяване на аналогов сигнал от "цифра"
Но цифровизирането на аналогов сигнал е половината от битката. За да слушате цифрова музика, трябва да извършите обратното преобразуване. Първо, нека да разгледаме как да превърнем цифров DSD поток в звук. Както вече знаем, този поток е високочестотен (2,8 MHz или повече) сигнал на две нива, средната стойност на този сигнал се променя с аудио честотата. Тоест, ако подходите към решението на проблема възможно най-просто, трябва да филтрирате всички високочестотни компоненти на DSD потока, оставяйки само полезен аудио сигнал(честоти до 20,22 kHz). Това се прави с помощта на аналогов нискочестотен филтър (LPF). Най-простият нискочестотен филтър е RC верига. Сигналът, получен след преминаване през тази верига, е показан на фиг. 5.
Както можете да видите, получената графика само отдалечено прилича на оригиналната синусоида. Но не забравяйте, че ние „приложихме“ най-простия филтър, като подобрим веригата на филтъра, можете да постигнете почти пълната липса на високочестотен шум и да получите аналогов звук с добри показатели за качество.
За да възстановите аналогов сигнал от цифров PCM, само аналогов нискочестотен филтър не е достатъчен, първо трябва да дешифрирате цифровите данни, за това се използват цифрово-аналогови преобразуватели (DAC). Има различни видове, но описанието на всички е извън обхвата на тази статия. Нека се спрем на 2-та най-често срещани вида в звуковата техника. Първо, това е така нареченият ЦАП от стълбовиден тип (наричан още многобитов). Както вероятно се досещате, такъв ЦАП преобразува потока цифрови данни PCM в поток от стойности на аудиосигнала, които изглеждат като стълба на графиката (фиг. 6). Както и в случая с DSD, е задължително използването на аналогов филтър за изглаждане на „стъпалата“.
Често такива преобразуватели използват междинно преобразуване на цифровия PCM сигнал до по-високи честоти (например 192 kHz): това намалява "стъпките", което позволява да се опрости веригата на аналоговия филтър.
Вторият тип DAC - делта-сигма - използва повторно семплиране до още по-високи честоти, като същевременно намалява битовата дълбочина до един бит. Нищо ли не ви напомня? Това е познатият DSD сигнал! какдопълнително обработваме такъв сигнал и го превръщаме в аналогов, вече разгледахме по-горе.
Приложение на PCM и DSD, предимства/недостатъци
Къде можем да срещнем всеки от методите за кодиране? Форматът PCM е много често срещан: CDDA дискове, DVD аудио, MP3 файлове, FLAC, ALAC, AAC, филмов звук и още и още, по-лесно е да се каже, когато не е PCM. Super Audio CD, DSD дискове, DSF файлове, DFF са DSD формат. Какво е по-добре все пак? При възпроизвеждане на кой формат ще получим по-добър звук?
- Първото предимство, което привържениците на DSD обичат да цитират, е доста неясно - устойчивост на шум и намаляване на грешките. Странно е да се чуе за различна устойчивост на шум в цифровия свят: и двата формата са обект на смущения точно толкова, колкото една книга в цифров формат е обект на смущения. Продължителността на съхранение на всеки цифров формат или качеството на предаването му между устройства зависи само от носителя / метода на предаване, но не и от самия формат. И така, шумоустойчивостта е същата. А какво да кажем за намаляване на въздействието на грешките? Да кажем, че съхраняваме 2 албума на оптични дискове (единият PCM, другият DSD), какво се случва, ако дискът е надраскан? При четене на повреден носител ще възникнат грешки, но колко критични са те? При PCM кодирането се използват многоцифрени числа, грешката в най-значимата цифра е много критична (например разликата между десетичните числа 11 и 91): ще се усети като щракване на ухото. При DSD кодирането един бит информация има малка тежест в общия поток, редки грешки само ще доведат до увеличаване на фоновия шум, който ще бъде по-малко забележим за ухото.
- Второто предимство е описано малко по-конкретно: по-голям динамичен обхват в сравнение с PCM. Е, и тук има някаква хитрост, ДД е по-скоро само зав сравнение с класическия CDDA формат: 120 ... 140 dB срещу 96 dB. Ако сравним например с DVD Audio - DD е почти същото.
- Трето предимство: DSD е технически по-опростен. Тук няма какво да спорим: по-просто декодиране на сигнала, няма нужда от синхронизиране и буфериране на потока при предаване на сигнал от едно устройство на друго - пълна победа за DSD. Между другото, на фона на това предимство е странно да се видят прекомерни цени за оборудване, което поддържа DSD възпроизвеждане.
- Е, още едно предимство, което феновете на DSD обичат да цитират: музиката в този формат е най-близка до оригиналния аналогов звук. Това се аргументира с факта, че съвременните аналогово-цифрови преобразуватели (ADC) работят на принципа на делта-сигма модулация, тоест тези ADC произвеждат цифров DSD поток. И тук отново е трикът: записът ще бъде напълно оригинален само в случай на директен запис на изпълнение на живо или при дигитализиране на готов аналогов запис от висококачествен носител. Операциите по смесване, прилагане на ефекти, мастериране, дори просто регулиране на звука - всичко, без което един студиен албум не може да мине - са невъзможни за цифров DSD запис поради липсата на нормални алгоритми за обработката му. Това означава, че всички тези операции се извършват с PCM формат и едва след това готовият PCM запис се преобразува в DSD. Все пак трябва да се отбележи, че PCM преобразуването>gt; DSD и обратно е доста точен: има само леко увеличение на шума извън реалния динамичен диапазон (фиг. 7). Така че няма особено значение в какъв формат да слушате записа: PCM Hi-Res или DSD - и двата формата са много сходни по отношение на качеството. Освен това всъщност няма смисъл да купувате отделна звукова карта за възпроизвеждане на DSD,след като се вслуша в съвета на приятел, фен на този формат.
И така, какво да избера DSD или PCM? Няма и не може да има недвусмислен отговор: PCM 24 bit 92 kHz и DSD128 например са много сходни по отношение на качествените характеристики и тези характеристики са по-добри от тези на оборудването, на което ще се възпроизвеждат тези формати, което означава, че по-нататъшното повишаване на качеството на цифровите формати за възпроизвеждане на този етап е непрактично. При оценката на качеството на звука на различни формати с висока разделителна способност, субективните усещания излизат на преден план, тъй като човешкият мозък не се храни само с качество: дизайнът на оборудването, цената му и най-важното - благосъстоянието и настроението на слушателя дават много по-голям ефект върху усещанията от слушане на музика. Така че изберете това, което ви харесва лично, и не налагайте мнението си на другите. Приятно слушане на всички!