Стандартне цифрове аудіо ґрунтується на простій передумові: захоплення хвилі, зберігання математичної інформації та відтворення хвилі. Теоретично це чисто. Насправді це ряд перетворень, викликають шум, спотворення і фазові помилки.
Щоб зрозуміти, навіщо існують 1-бітові цифроаналогові перетворювачі (ЦАП), потрібно зрозуміти базові механізми цифрового запису. Мета – висока точність відтворення. Ми хочемо, щоб відтворення було якомога ближчим до оригінального сигналу. Також потрібно ідеальне відтворення. Незалежно від того, скільки разів ви його слухали, воно має звучати однаково щоразу, коли ви натискаєте відтворення.
Цифрове аудіо досягає цього, повністю виключаючи аналогові хвилі. Натомість безперервна аудіонапруга перетворюється на цифровий потік. Це захоплення здійснює аналого-цифровий перетворювач (АЦП). Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) перетворює ці числа на напруги для динаміків.
Цей процес визначається двома змінними, що контролюються під час дискретизації.
- Частота дискретизації: кількість знімків хвилі, зроблених за секунду.
- Точність дискретизації: скільки різних рівнів (кроків квантування) існує між мінімальною та максимальною гучністю.
Розглянемо гіпотетичну установку з частотою дискретизації 1000 Гц та роздільною здатністю 10 кроків.
Кожні мілісекунди АЦП бере поточну напругу хвилі і округляє її до найближчого цілого числа від 0 до 9. Ці цілі числа є цифровим уявленням. ЦАП намагається відновити криві під час їх відтворення. Результатом є покрокове наближення вихідної хвилі.
Цей крок може зробити артефакти. З’являється шум. Виникають спотворення.
1-бітний ЦАП усуває цю складність. Він призначений для точного уявлення. Він не намагається робити надто багато речей одночасно. Використовується лише два режими: увімкнено або вимкнено. Високий чи низький? 1 чи 0.
1-бітові перетворювачі використовують техніки, звані передискретизацією (oversampling) та формуванням шуму, збільшуючи частоту дискретизації до мільйонів разів порівняно з аудіочастотою. Вони переміщують шум квантування з чутного діапазону ультразвуковий спектр, де його можна легко відфільтрувати.
Результатом є хвиля, зовсім відмінна від ступінчастої синьої лінії, видимої у традиційних ЦАП. Це сирий потік високочастотних імпульсів, який, згладжуючись динаміком, виготовляє плавний аналоговий звук.
Цей підхід часто називають Direct Stream Digital (DSD). Він був розроблений компаніями Sony та Philips для формату Super Audio CD. Це не просто спосіб зберігання даних. Це інша філософія того, як боротися із шумом.
Традиційні багатобітні ЦАП (такі як 16-бітові або 24-бітові PCM) борються з лінійністю. Невеликі помилки у цифровому коді призводили до гармонійних спотворень. У 1-бітного ЦАП таких проблем із лінійністю немає. Він або повністю увімкнений, або повністю вимкнений. «Майже» не є варіантом.
Однак ця простота має компроміси. Швидкість передачі величезна. Стандартний аудіофайл CD займає близько 10 МБ/хв. Файли DSD тієї ж якості важать понад 400 МБ. Саме тому їх немає в установках за замовчуванням у Spotify або Apple Music. Вони дуже «важкі». Їх важко обробляти.
Тим не менш, аудіофіли оцінюють характеристики звуку в такий спосіб.
Давайте розглянемо порівняння форм хвиль. Синя лінія виглядає безладно, порівняно з вихідною червоною лінією. Деталі зникають. Відтворення стає нерівномірним, неточним та має очевидні дефекти. Це і є помилка дискретизації. Це різниця між тим, як звук звучить в аналоговому світі насправді та тим, що записують цифрові системи. Цю проблему не можна ігнорувати. Її необхідно вирішити, збільшивши два фактори: частоту дискретизації та точність.
Усунення розриву точності
Попередні спроби були надто грубими. Для отримання кращих результатів швидкість та точність слід подвоїти. Це означає, що кількість вимірювань за секунду подвоюється, а також подвоюється кількість доступних рівнів (кроків) для вимірювання.
У цьому оновленому сценарії система захоплює амплітуду з точністю до 20 градацій. Це відбувається з частотою 2000 відліків за секунду. Це значний крок уперед, порівняно з попередніми спробами низької чіткості. Синя лінія тепер набагато щільніше прилягає до червоної лінії. Зубчасті краї стають плавнішими. Звучання стає ближчим до реальності.
Вища частота дискретизації і більша розрядність (бітність) зменшують помилки між аналоговим джерелом та його цифровою копією.
Чому це важливо для повсякденного аудіо
Можливо, ви вважаєте, що це просто теорія. Це негаразд. Щоразу, коли ви відтворюєте пісню або записуєте голосове повідомлення, ваш пристрій веде ту саму боротьбу. Якщо частота дискретизації надто низька, звук буде спотворено. Високі частоти губляться. Музика звучить глухо чи металево. Важлива також точність. Без достатньої кількості градацій (біт) тихі деталі згасають у тиші чи шумі.
Подвоївши швидкість до 2000 відліків за секунду, ви можете захопити більше форм хвиль. Збільшення кількості рівнів до 20 дозволяє забезпечити більш тонкий розподіл гучності. В результаті сигнал стає схожим на живе виконання. Він ще ідеальний. Але він ближчий до ідеалу.
Червона лінія, як і раніше, є ідеалом. Синя лінія – це найкраще наближення. Використання більшої кількості точок даних та точніших кроків покращує збіг. Різниця стає меншою. Але якщо у вас немає нескінченних ресурсів, він ніколи не зникає повністю. Це і є компроміс. Більший обсяг даних потребує більше місця для зберігання та обчислювальної потужності. Найменший обсяг даних заощаджує місце, але знижує точність. Вам потрібно вирішити, де провести кордон.
Як 1-бітовий ЦАП використовує формування шуму для створення високоякісного звуку
При збільшенні частоти дискретизації та роздільної здатності відбуваються цікаві речі. Якщо подивитися на графік, швидкість і точність подвоюються, досягаючи 40 рівнів за 4000 відліків за секунду. Це забезпечує найкращу точність відтворення. Форма вихідного сигналу починає нагадувати вихідний сигнал. Для CD стандартом є 44 100 відліків за секунду (44,1 кГц) з 65 536 градаціями (16 біт). На цьому рівні вихідний сигнал ЦАП збігається з формою хвилі настільки точно, що для людського вуха він звучить ідеально.
Але обладнання може швидко стати дорогим.
Традиційні ЦАП використовують різні резистори для кожного біта. 4-бітному ЦАП потрібно чотири резистори, з’єднані паралельно. Перехід на 16- або 32-бітовий вимагає наявності достатньої кількості опорів для обробки 65536 градацій. Точне припасування цих значень є кошмаром для виробників.
Однобитні подвійні цифро-аналогові перетворювачі вирішують цю проблему, повністю обходячись без банку резисторів. Паралельні резистори не використовуються. Натомість створюється модульований сигнал на основі цифрових даних. Цей процес заснований на формуванні шуму.
Чому працює формування шуму
Людське вухо має межі. Ми найбільш чутливі до шуму близько 5 кГц. На частотах до 20 кГц шум ледь помітний. Формування шуму зміщує помилки квантування (шум) більш високі частоти, роблячи їх нечутними. ЦАП виробляють стабільні аналогові сигнали без необхідності використання сотень прецизійних компонентів.
Роль дельта-сигма модулятора
Дельта-сигма модулятор є серцем цього перетворювача. Він приймає бінарний сигнал (одиниці та нулі) з CD і перетворює його на пачку імпульсів. Це більше, ніж просто потокове передавання. Пачка імпульсів містить середню зміну енергії кожного відліку.
Імпульсні форми сигналу тактуються дуже високої частоті, перевищує частоту дискретизації 44,1 кГц. Ця передискретизація має важливе значення. Потім фільтр нижніх частот видаляє інформацію у часовій області. Повертається лише середня енергія пачки імпульсів. Результат подається на ЦАП, і надсилається аналоговий сигнал.
Як розбивається схема
Дельта-сигма схема складається із двох різних частин.
- Дельта відстежує вхідний цифровий сигнал та вихідну пачку імпульсів. На основі різниці між ними обчислюється сигнал помилки.
- Сигма підсумовує результат цього сигналу помилки. Цю суму буде відправлено на фільтр нижніх частот.
Фільтр нижніх частот використовує сигнал помилки для усереднення аналогового виходу. Мікроскопічні коригування компенсують розриви між бінарним входом та виходом пачки імпульсів. Результат виходить плавним.
Результати
Отримання якісного звуку за допомогою простого обладнання. Немає необхідності підганяти 65536 резисторів. Шум виноситься межі чутного діапазону. Слухач чує музику, а чи не математику.
Цей підхід змінює спосіб створення аудіообладнання. Складність переноситься з аналогової точності цифрову обробку. Компромісом є обчислювальна потужність. Але для більшості слухачів цей компроміс того вартий.
Технологія, що лежить в основі цих перетворювачів, є дуже інтенсивною. Детальні діаграми та інструкції доступні в Інтернеті. Якщо ви хочете дізнатися більше, ознайомтеся з Дельта-сигма модуляцією та Адаптивною дельта-модуляцією. Математика складна. Результат простий. Звук чистий.
Все ще запитуєте, як це впливає на ваше повсякденне сприйняття звуку? Різниця між дешевими та висококласними ЦАП часто полягає у їх здатності обробляти формування шуму. Йдеться не лише про біти та відліки. Ідеться про те, як машини приховують свої недоліки.
