HI-Res audio - формати високого дозволу DSD і DXD (міфи)

Hi-Res Audio (скор. HRA) - музичні файли, що надають максимально високу якість цифрового звучання. Порівнюючи формат відноситься до HI-Res audio з mp3, можна помітити разючу різницю в якості звуку. Hi-Res Audio на голову вище, за якістю звучання компакт-дисків (CD, DVD) і навіть багатьох якісних стислих цифрових форматів. Hi-Res Audio прийнято вважати еталоном якості в цифровому аудіо.

Наближене порівняння форматів:

Обговоримо процеси відбуваються при відтворенні носіїв і форматів високого дозволу - HI-Res: SACD (SuperAudioCD), DVD-Audio, форматів DSD і DXD.

У минулій статті присвяченій HI-FI, ми вже розглянули міфи пов'язані з якістю звучання магнітофонів, вінілу, лампових підсилювачів і формату CD. Настав час звернути увагу на безкомпромісні формати звучання сучасного HI-FI. Відразу заспокою читачів тим, що критики буде менше ніж в минулій статті і відноситься вона не до якості звучання, а більше, до технічних моментів.

Попереджаю, що стаття написана для самих цікавих читачів, для непідготовленого читача (але цікавого) я рекомендую в міру необхідності звертатися до вікіпедії. Менш цікавим читачам я рекомендую прочитати тільки «міфи» і висновки.

1. Перший формат високої роздільної здатності (HI-Res) - носій SACD;
2. Чим відрізняється Плотностние-Кодова модуляція ПКМ (PDM), від Импульсно-Кодовій Модуляції ІКМ (PCM)?
3. міф №1 - Послідовний ЦАП (АЦП) краще ніж паралельний;
4. З цифрового в аналоговий;
5. висновок 1. Основний плюс «паралельного» АЦП (ЦАП);
6. Логіка роботи «послідовного» АЦП (ЦАП);
7. висновок 2. Основний плюс «послідовного» АЦП (ЦАП);
8. міф №2 - в ЦАП-ах (АЦП) використовуються чисто паралельні або послідовні перетворювачі;
9. міф №3 - 32-бітові ЦАП (АЦП) перевершують за якістю 24-бітові;
10. міф №4. У моєму програвачі низький (високий) джиттер;

Дивіться також:

• Динамічний діапазон всіх цифрових форматів, включаючи DSD - міфи і реальність
• Hi-Fi звук, міфи і реальність - еволюція і розвиток звуку
• Різниця якості між mp3 і FLAC - 192Kbps або 320Kbps?

1. Перший формат високої роздільної здатності (HI-Res) - носій SACD

Почнемо з самого першого з форматів високого дозволу (HI-Res) - носій SACD. Сам носій не представляє для нас ніякого інтересу, він подібний до DVD по ємності і фізичну структуру, інтерес представляє формат зберігання аудіо-інформації DSD.

Інформація в цьому форматі за способом кодування відрізняється від всіх інших форматів і використовує «плотностно-імпульсну модуляцію» (PDM - Pulse Density Modulation) на відміну від використовуваної зазвичай при кодуванні звуку «імпульсно кодової модуляції» PCM (Pulse Coding Modulation).

1.1 Що означають всі ці перетворення?

Для подання цифрового звуку, найчастіше використовують імпульсно кодову модуляцію, в якій вихідний аналоговий сигнал перетворюється АЦП (Аналогово Цифровий Перетворювач) або ADC (Analog to Digital Converter) в послідовний потік цифр. Робить він це строго відповідно до заданої частотою квантування (для CD частота квантування дорівнює 44100 Гц) - саме з цією частотою АЦП вимірює амплітуду (інтенсивність) звукової хвилі і кодує результат вимірювання цифрою.

Відбувається це відповідно до розрядністю АЦП (Другий важливий показник якості АЦП), в діапазоні від 0 до 65535 для 16-бітного АЦП, в діапазоні від 0 до 16,7 мільйонів для 24-бітного і від 0 до 4 мільярди для 32-бітного АЦП.

Тут очевидно що навіть невелике збільшення розрядності (битности) АЦП призводить до різкого (експоненціального) збільшення якості, точності кодування аудіо.

Зворотний процес перетворення відбувається за допомогою ЦАП (Цифро аналоговий Перетворювач) або DAC (Digital to Analog Converter) - послідовний потік цифр із заданою частотою квантування, перетворюється в величину звукового тиску. Природно, чим вище розрядність цифрового аудіо, при наявності відповідного перетворення, тим точніше відбувається відновлення аналогового сигналу і вище якість звучання.

2. Чим відрізняється Плотностние-Кодова модуляція ПКМ (PDM), від Импульсно-Кодовій Модуляції ІКМ (PCM)?

Ми розглянули Импульсно кодовоїмодуляцією ІКМ (PCM). Так перетворюється аудіо в CD, DVD-audio, DXD. Чим же відрізняється Плотностние Кодова модуляція ПКМ (PDM)? від Импульсно Кодовій Модуляції ІКМ (PCM)?.

Відмінності і в способі перетворення аналогового сигналу і назад цифрового в аналоговий, в цифровому способі зберігання інформації.

Зберігання інформації для звучання не має значення. Відзначимо лише те, що для зберігання аудіо в SACD (DSD) використовується потік біт, а не багаторозрядних чисел, в діапазоні від 0 до 1, тобто двійковий сигнал. Важливим є те, як перетворюється аналог в цифру і назад.

Саме з цього моменту починається плутанина і міфи 🙂 Справа в тому що існують «послідовні» і «паралельні» аналогоцифрового (цифроаналогові) перетворювачі.

3. Міф №1 - Послідовний ЦАП (АЦП) краще ніж паралельний

Міф №1 - якість однобітного високочастотного кодування краще ніж якість многоразрядного кодування...

Для розуміння викладеного далі розглянемо логіку роботи «паралельного» і «послідовного» перетворювачів. Почнемо з оцифровки аналогового сигналу - логіки АЦП.

Отже, паралельний АЦП «вимірює» аналоговий сигнал і перетворює його в цифру.

3.1 Як відбувається аналого-цифрове перетворення?

На вході АЦП знаходиться схема «компаратор», сенс якої зводиться до наступного - порівнювати еталонний сигнал (припустимо 1 вольт, але вихідним зазвичай береться напруга рівне половині від максимального значення вимірюваного сигналу) з вступникам вимірюваним.

Якщо вимірюваний сигнал виявляється менше еталонного схема генерує логічний сигнал «мінус» (логічний 0), а якщо більше то «плюс» (логічний 1). Відповідно до цього логічним сигналом змінюється величина еталонного напруги - воно або збільшується в два рази або зменшується в два рази від попереднього значення, в залежності від того чи був вимірюваний сигнал більше або менше еталонного. Одночасно з цим в цифровому регістрі зберігається цифра (спочатку рівна половині вимірюваного діапазону) і вона ділиться або множиться на 2, по результату порівняння компаратором еталонного сигналу з вимірюваним.

Далі вимір відбувається ще раз і так далі від самого «грубого» виміру до самого «тонкого», з кожним кроком величина еталонного напруги буде послідовно наближатися до вимірюваного значення. Так-же послідовно буде «уточнюватися» зберігається в регістрі цифра - від старших розрядів ( «грубим» значенням) до молодших ( «точних» значенням).

Кількість вимірювань одно розрядності схеми АЦП, наприклад для 16-бітного буде 16 замірів-порівнянь-кроків. Це так званий «метод послідовного наближення». Ця логіка хороша тим що кількість вимірювань для високої точності невелика і дорівнює розрядності. Таким чином:

• Щоб виміряти сигнал з точністю від 0 до 65535, знадобиться не 65535 кроків, а всього 16.
• Для вимірювання з точністю від 0 до 16,7 мільйонів знадобиться всього 24 кроку.

Для схеми АЦП таким чином можуть застосовуватися щодо низькочастотні компоненти, це спрощує, здешевлює схему, збільшує її точність (за рахунок меншого розкиду параметрів компонентів).

4. З цифрового в аналоговий

Зворотне перетворення з цифри в аналоговий сигнал (ЦАП) відбувається простіше. Ми маємо паралельний набір висновків мікросхеми, в якому число висновків одно розрядності перетворюється сигналу. Кожен розряд ще цифрового сигналу, має одну і ту ж величину (напругу). Сигнал поки ще паралельний-цифровий. Далі до кожного висновку підключена «R-2R» ланцюжок (опір або резистор) і таким чином найстаршому розряду відповідаємо високу вихідну напругу, а молодшому мінімальне. У підсумку комбінація значущих розрядів пропущених через «R-2R» ланцюжка мікшується в один аналоговий сигнал. В кінці знаходиться високочастотний фільтр. Ось і все =)

5. Висновок 1. Основний плюс «паралельного» АЦП (ЦАП)

Він працює на відносно низькій частоті, за рахунок чого досягається висока точність. Сенс в тому що всі частоти утворюються від надвисокої частоти кварцового резонатора, яка потім ділиться схемами «дільниками», до більш низької частоти роботи цифрової схеми. Разом з поділом надвисокої частоти, відбувається і поділ (зменшення) помилки (відхилення) частоти від теоретичної. Чим більше коефіцієнт ділення і нижче кінцева частота, тим точніше частота на виході.

Відповідно низькочастотні компоненти і схеми точніше високочастотних.

6. Логіка роботи «послідовного» АЦП (ЦАП)

У послідовному АЦП є вже знайомий нам компаратор, який порівнює еталонний сигнал (опорний) з вимірюваним. Далі йдуть відмінності в логіці роботи.

У цифровому регістрі (буферної пам'яті) зберігається цифра рівна значенню еталонного сигналу. Після чергового вимірювання компаратором аналогового сигналу, він видає на виході цифру 1, якщо вимір було вище еталона і 0, - якщо нижче. Потім еталонним сигналом стає не в 2 рази вищий або нижчий сигнал, а на одиницю більший або менший. Одночасно з цим в пам'ять записується не цифри рівна еталону, а біт 1 якщо вимір було більше або 0 якщо менше.

Фактично ми маємо більш просту послідовну логіку (і схему) АЦП, в порівнянні з паралельною.

Замість послідовного наближення, тут використовується фіксація (запис) покрокового наближення. Для вимірювання діапазону рівному 16 біт від 0 до 65535 нам знадобиться вже 65535 кроків (а не 16). Відповідно для 24-бітного перетворення нам знадобиться 16,7 мільйона кроків. На виході такого АЦП записується послідовний потік біт, в якому аналогове значення інтенсивності звукової хвилі, так само «щільності» потоку одиниць і нулів. Якщо більше одиниць, то напруга (інтенсивність) вище, а якщо нулів - нижче. Все дуже просто.

6.1 Зворотне цифро-аналогове перетворення, послідовно

Зворотне цифро-аналогове перетворення (ЦАП) теж просте. На виході однобітного цифрового сигналу, варто ємність (конденсатор), яка заряджається нулями і одиниць, на різну величину, в залежності від щільності проходження нулів і одиниць. В кінці після ємності знаходиться високочастотний фільтр і аналоговий вихід.

7. Висновок 2. Основний плюс «послідовного» АЦП (ЦАП)

У ньому використовується більш проста схема з меншим числом компонентів. Величини неточності у всіх компонентах аналогового тракту накопичуються в одну загальну велику помилку. Чим менше компонентів в аналогової ланцюга тим точніше АЦП (ЦАП) і якісніше звук.

8. Міф №2 - в ЦАП-ах (АЦП) використовуються чисто паралельні або послідовні перетворювачі

Уважний читач помітив що у висновках 1 і 2 є протиріччя =). В реальності все прозаїчніше. Насправді на практиці використовують комбінацію цих методів. Весь діапазон амплітуд аналогового сигналу розбивається на піддіапазони (паралельна обробка) і потім піддається послідовному кодування. Такі «гібридні» ЦАП-и (АЦП) є найбільш широко поширеними.

При відтворенні SACD насправді використовується повністю послідовний однобітний ЦАП. Але як ми вже з'ясували цей плюс входить в протиріччя з високою частотою роботи схеми ЦАП =). Коли говорять про високу якість SACD, то мається на увазі його більш високу якість у порівнянні з CD.

9. Міф №3 - 32-бітові ЦАП (АЦП) перевершують за якістю 24-бітові

Реальність як завжди суворо приземляються нас від теоретичних максимумів на землю.

Реальних ЦАП, що працюють з 32 бітної точністю в побутовий (навіть HI-FI) звуковідтворювальної апаратури найчастіше немає =). Зазвичай все обмежується 24 бітами. Але поспішу заспокоїти читачів тим, що і на студіях звукозапису розрядність оцифровки сигналу рідко перевищує 24 біта, а якщо і перевищує то ненабагато. Запас в розрядності (точності) аудіо потрібен для редагування цифрового контенту, так як при редагуванні так звані помилки редагування накопичуються. Про це ми вже згадували в минулому огляді.

Розглянемо ще один, останній міф і спекуляції на цю тему.

10. Міф №4. У моєму програвачі низький (високий) джиттер

Часи пов'язані з високим цифровим джиттером відносяться до 90-их і початку 00-вих. Коли мікросхеми були ще не такі «великі» за складністю схем і виробники на всьому економили. Тоді існувала різниця.

Саме в цьому моменті послідовний ЦАП для SACD мав перевагу перед паралельними дешевими ЦАП =). Але в ті часи зустрічалися навіть ЦАП для CD, з розрядністю менш 16 біт =). Зараз ці недоліки зустрічаються тільки в самій дешевій техніці не має до HI-FI ніякого відношення. Хоча ... це ще зустрічається в смартфонах =).

Так що якщо ви любите музику краще придбайте для цього якісний плеєр =)

• ТОП 15 кращих плеєрів;
• ТОП 15 кращих звукових карт;
• ТОП 15 кращих навушників;

З повагою, Тепляков Андрій.