Динамічний діапазон всіх цифрових форматів, включаючи DSD - міфи і реальність (Корисна інформація (info)) | Поради щодо вибору кращих товарів і послуг.

Розглянемо такі характеристики як: реальний динамічний діапазон для форматів DSD, величину фазового шуму і помилки дискретизації для всіх цифрових форматів в загальному.

У характеристиках звуковідтворювальної апаратури часто призводять такі характеристики як:

Динамічний і частотний діапазон
Відношення сигнал \ шум
І т.д.

Але дуже багато упускається.

Ціни на якісні навушники для музики (в 2019 році):

зміст:

Що таке дискретизація;
Формат CD і споріднені з ним формати Flac - реальний динамічний діапазон;
Підсумок по чистоті записи в форматі CD;

Дискретизація у Flac;
Формати WAVE, з ультрависокої частоти дискретизації;

Дискретизація формату DSD;
DSD з більш високими частотами дискретизації;

Підсумок, 3 важливі висновки і суть статті;

Що таке дискретизація

Дискретизація робить дискретним сигнал в часі (На відміну від квантування, яке робить дискретними амплітуди сигналів). Всі знають, що таке розрядність аудіо і цапов (АЦП). Чим вище розрядність аудіоінформації і цапа (АЦП), тим вище: якість, краще динамічний діапазон і ставлення сигнал \ шум.

Вікіпедія - дискретизація;

Мало хто замислюється, що квантування на тимчасової осі або правильніше сказати - дискретизація, так-же вносить свій внесок в динамічний діапазон і привносить цифровий шум (про це мало пишуть в мережі).

Помилка дискретизація в цьому сенсі схожа на помилку квантування - чим більша їх кількість і, таким чином, більше інформації для цифрового представлення сигналу, тим вища якість. Найчастіше меломани обмежуються лише інформацією про (теоретичному) частотному діапазоні, а даремно! =)

Формат CD і споріднені з ним формати Flac - динамічний діапазон

Розглянемо для початку улюблений формат CD і споріднені з ним формати Flac. Динамічний діапазон розраховується дуже просто - він дорівнює 6дБ на 1 біт інформації, при імпульсно кодової модуляції використовується в цих форматах. Для компакт диска динамічний діапазон таким чином дорівнює 16біт х 6дБ = 96дБ. Відповідно величина помилки квантування дорівнює величині молодшого розряду і для 16біт динамічного діапазону цифровий (теоретичний) шум квантування складе -96дБ. Ми розібрали квантування по амплітуді і це ще не все характеристики цифрового аудіо.

У минулих своїх оглядах я вже розповідав про проблеми пов'язані з дискретизацією аудіо в компакт диску і його реальному частотному діапазоні. Нагадаю. Діапазон CD (теоретичний) становить 20Гц-20000Гц.

З нижніми частотами все в порядку. Проблеми виникають при оцифрування високих частот. Справа в тому що період максимальної (по теоремі Котельникова-Шеннона або відома як «частота Найквіста») частоти 22050Гц, буде записаний всього двома цифрами. Це і є частота дискретизації яка дорівнює для компакт диска 44100Гц. Якщо порівняти кількість інформації доступне для запису максимальної частоти 22050Гц і мінімальної для CD частоти в 20Гц, на думку спадає дуже важливий і простий висновок - різні частоти записуються з різною якістю.

Зрозуміло також, що якщо нижня частота запишеться з високою якістю, то верхні частоти, абсолютно логічно, запишуться з якістю поганим. Питання тільки в тому наскільки погане це якість.

Щоб порахувати величину шуму дискретизації підійде формула від оцінки шуму квантування. Попередньо потрібно знати величину періоду (ціле число) шуканої частоти і розрахувати необхідну кількість біт кодують фазу частоти. Нижче наведено таблицю де наведені частоти зі зменшенням на октаву, плюс найнижча частота (кодується, як ми пам'ятаємо з надлишком якості), далі йде величина періоду, мінімальна 2р, тут і далі вказується число одиниць інформації кодують один період частоти і розрядність в бітах необхідна для кодування одного періоду при цій частоті дискретизації (обмеженням для кількості біт на фазу є якраз частота дискретизації). В кінці наводиться то що нам потрібно - величина (теоретична) фазового шуму (помилка дискретизації) для певної частоти:

CD 44100 Hz 16bit

22050 Hz 2p (1b) -6дБ
11025 Hz 4p (2b) -12дБ
5512 Hz 8p (3b) -18дБ
2756 Hz 16p (4b) -24дБ
20 Hz 2205p (11b) -66дБ

Отже, значення шуму дискретизації прямо сказати обескураживающие =). Недарма ці характеристики виробники апаратури не вказують взагалі.

Підсумок по чистоті записи в форматі CD

У форматі CD чисто запишуться тільки низькі частоти з відношенням сигнал \ шум нижче приблизно -45дБ. Середні запишуться вже з високим рівнем фазового шуму. На високі частоти вже практично нічого не залишається ... Нагадаю, що шум квантування за все -96дБ - його то і вказують виробники техніки та в описі форматів.

Подивимося що у нас з форматами високої роздільної здатності, почнемо з Flac:

Flac 96000 Hz 24 bit

24000 Hz 4p (2b) -12дБ
12000 Hz 8p (3b) -18дБ
6000 Hz 16p (4b) -24дБ
3000 Hz 32p (5b) -30дБ
20 Hz 4800p (13b) -78дБ

Flac 192000 Hz 24 bit

24000 Hz 8p (3b) -18дБ
12000 Hz 16p (4b) -24дБ
6000 Hz 32p (5b) -30дБ
3000 Hz 64p (6b) -36дБ
20 Hz 9600p (14b) -84дБ

Видно, що зі збільшенням частоти якість стає краще, але не на багато.

Додатково розглянемо пару форматів WAVE, з ультрависокої частоти дискретизації

WAVE 384000 Hz 32 bit

24000 Hz 16p (4b) -24дБ
12000 Hz 32p (5b) -30дБ
6000 Hz 64p (6b) -36дБ
3000 Hz 128p (7b) -42дБ
20 Hz 19200p (15b) -90дБ

WAVE 768000 Hz 32 bit

24000 Hz 32p (5b) -30дБ
12000 Hz 64p (6b) -36дБ
6000 Hz 128p (7b) -42дБ
3000 Hz 256p (8b) -48дБ
20 Hz 38400p (16b) -96дБ

Результати вже значно краще, але все ще не ідеальні =) Зрозуміло що формати з надвисокою частотою ще недоступні практично ні кому.

формат DSD

Тепер звернемо увагу на найбільш спірний і цікавий в плані якості формат DSD, що використовується в SACD. По-перше тут використовується не імпульсно-кодова модуляція, а плотностно імпульсна. Це означає що весь сигнал і по амплітуді і в часі кодується потоком однобітних значень.

Від сюди випливає висновок що квантування симетрично дискретизації і, отже шум квантування, буде дорівнює шуму дискретизації. І те й інше (в даному випадку це одна величина) становить інтерес.

Отже, почнемо ... DSD

DSD64

2.822.400 Hz 1 bit
22050 Hz 128p (7b) -42дБ
11025 Hz 256p (8b) -48дБ
5512 Hz 512p (9b) -54дБ
2756 Hz 1024p (10b) -60дБ
20 Hz 141120p (18b) -108дБ

Результати розрахунків вражають - це дійсно формат високої якості! Тут відносно низький рівень шумів на високих частотах, на середніх частотах цей показник ще краще, а на низьких якість взагалі вище всяких похвал. На високих частотах початковий формат DSD залишає позаду навіть WAVE 768000 Гц!.

Залишилося розглянути формат DSD з більш високими частотами дискретизації

DSD128

5.644.800 Hz 1 bit
22050 Hz 256p (8b) -48дБ
11025 Hz 512p (9b) -54дБ
5512 Hz 1024p (10b) -60дБ
2756 Hz 2048p (11b) -66дБ
20 Hz 282240p (19b) -114дБ

DSD256

11.289.600 Hz 1 bit
22050 Hz 512p (9b) -54дБ
11025 Hz 1024p (10b) -60дБ
5512 Hz 2048p (11b) -66дБ
2756 Hz 4096p (12b) -72дБ
20 Hz 564480 (20b) -120дБ

DSD512

22.579.200 Hz 1 bit
22050 Hz 1024p (10b) -60дБ
11025 Hz 2048p (11b) -66дБ
5512 Hz 4096p (12b) -72дБ
2756 Hz 8192p (13b) -78дБ
20 Hz 1128960p (21b) -126дБ

З таблиці видно, що збільшення частоти в форматі DSD має сенс для якості високих частот (нижні записані з надлишком якості).

підсумок:

Виробники звуковідтворювальної техніки вказують динамічний діапазон квантування, пов'язане з ним співвідношення сигнал \ шум і не вказують величину фазового шуму (помилка дискретизації).
висновок другий. Заявлені високі характеристики форматів, з імпульсно кодовоїмодуляцією частково міф.
І останнє - формати DSD дійсно мають перевагу в якості перед стандартними форматами.

В майбутньому, ймовірно, з подальшим розвитком цифрової електроніки, будуть доступні формати аудіо з дуже високою частотою дискретизації і низьким фазовим шумом, а поки вибір не дуже великий і слід звернути увагу на DSD. Звичайно це не реклама DSD і SACD =), але вибір за вами.