Standardní digitální zvuk je založen na jednoduchém předpokladu: zachytit vlnu, uložit matematické informace a znovu vytvořit vlnu. Teoreticky je to čisté. V praxi se jedná o sérii transformací, které způsobují šum, zkreslení a fázové chyby.
Abyste pochopili, proč existují 1bitové digitálně-analogové převodníky (DAC), musíte pochopit základní mechanismy digitálního záznamu. Cílem je high fidelity. Chceme, aby se přehrávání co nejvíce přiblížilo původnímu signálu. Vyžaduje se také dokonalé přehrávání. Bez ohledu na to, kolikrát to posloucháte, mělo by to znít stejně pokaždé, když stisknete play.
Digitální zvuk toho dosahuje úplným odstraněním analogových vln. Místo toho se nepřetržité audio napětí převádí na digitální stream. Toto zachycení se provádí analogově-digitálním převodníkem (ADC). Digital-to-analog converter (DAC) převádí tato čísla na napětí pro reproduktory.
Tento proces je určen dvěma proměnnými, které jsou řízeny během vzorkování.
- Vzorkovací frekvence: počet snímků vlny pořízených za sekundu.
- Přesnost vzorkování: Kolik různých úrovní (kvantizačních kroků) existuje mezi minimální a maximální hlasitostí.
Zvažte hypotetické nastavení se vzorkovací frekvencí 1000 Hz a rozlišením 10 kroků.
Každou milisekundu ADC vezme aktuální vlnové napětí a zaokrouhlí ho na nejbližší celé číslo od 0 do 9. Tato celá čísla jsou digitální reprezentace. DAC se pokouší rekonstruovat křivky při jejich přehrávání. Výsledkem je postupné přibližování původní vlny.
Tento krok může přinést artefakty. Je tam hluk. Dochází ke zkreslení.
1bitový DAC tuto složitost eliminuje. Není zamýšleno jako přesné znázornění. Nesnaží se dělat příliš mnoho věcí najednou. Používají se pouze dva režimy: zapnuto nebo vypnuto. Vysoká nebo nízká? 1 nebo 0.
1bitové převodníky používají techniky zvané převzorkování a tvarování šumu, které zvyšují vzorkovací frekvenci na milionnásobek zvukové frekvence. Přesouvají kvantizační šum ze slyšitelného rozsahu do ultrazvukového spektra, kde jej lze snadno odfiltrovat.
Výsledkem je křivka zcela odlišná od stupňovité modré čáry u tradičních DAC. Jedná se o surový proud vysokofrekvenčních pulzů, který, když je vyhlazen reproduktorem, vytváří hladký analogový zvuk.
Tento přístup se často nazývá Direct Stream Digital (DSD). Byl vyvinut společnostmi Sony a Philips pro formát Super Audio CD. Není to jen způsob ukládání dat. To je jiná filozofie, jak se vypořádat s hlukem.
Tradiční vícebitové DAC (jako je 16bitový nebo 24bitový PCM) zápasí s linearitou. Malé chyby v digitálním kódu vedly k harmonickému zkreslení. 1bitový DAC nemá takové problémy s linearitou. Je buď zcela zapnutý, nebo zcela vypnutý. “Téměř” není možnost.
Tato jednoduchost má však své nevýhody. Rychlost přenosu dat je enormní. Standardní zvukový soubor CD zabírá asi 10 MB za minutu. DSD soubory stejné kvality váží přes 400 MB. To je důvod, proč nejsou ve výchozím nastavení ve Spotify nebo Apple Music. Jsou velmi “těžké”. Jsou náročné na zpracování.
Audiofilové však hodnotí zvukový výkon následovně.
Podívejme se na srovnání průběhů. Modrá čára vypadá ve srovnání s původní červenou čárou neuspořádaně. Detaily zmizí. Přehrávání je nerovnoměrné, nepřesné a má zjevné vady. Toto je vzorková chyba. Je to rozdíl mezi tím, jak zvuk ve skutečnosti zní v analogovém světě, a tím, co nahrávají digitální systémy. Tento problém nelze ignorovat. Je třeba to vyřešit zvýšením dvou faktorů: vzorkovací frekvence a přesnosti.
Přesné překlenutí mezery
Předchozí pokusy byly příliš hrubé. Pro lepší výsledky je třeba zdvojnásobit rychlost a přesnost. To znamená, že počet měření za sekundu se zdvojnásobí a počet dostupných úrovní (kroků) pro měření se také zdvojnásobí.
V tomto aktualizovaném scénáři systém zachycuje amplitudu v rozmezí 20 gradací. K tomu dochází rychlostí 2000 vzorků za sekundu. To je výrazné zlepšení oproti předchozím snahám s nízkým rozlišením. Modrá čára je nyní mnohem blíže červené čáře. Zubaté okraje budou hladší. Zvuk se přiblíží realitě.
Vyšší vzorkovací frekvence a vyšší bitové hloubky snižují chyby mezi analogovým zdrojem a jeho digitální kopií.
Proč je to důležité pro každodenní zvuk
Možná si říkáte, že je to jen teorie. To je špatně. Pokaždé, když přehrajete skladbu nebo nahrajete hlasovou zprávu, vaše zařízení svádí stejnou bitvu. Pokud je vzorkovací frekvence příliš nízká, zvuk bude zkreslený. Vysoké frekvence jsou ztraceny. Hudba zní tlumeně nebo kovově. Důležitá je také přesnost. Bez dostatečných gradací (bitů) tiché detaily vyblednou v ticho nebo šum.
Zdvojnásobením rychlosti na 2000 vzorků za sekundu můžete zachytit více křivek. Zvýšení počtu úrovní na 20 umožňuje jemnější oddělení objemu. Výsledkem je, že signál se více podobá živému vystoupení. Ještě není dokonalý. Ale je to blíže k ideálu.
Červená čára je stále ideální. Modrá čára je nejlepší přiblížení. Použití více datových bodů a přesnějších kroků zlepšuje přizpůsobení. Rozdíl je čím dál menší. Ale pokud nemáte nekonečné zdroje, nikdy nezmizí úplně. To je kompromis. Více dat vyžaduje více úložného prostoru a výpočetního výkonu. Méně dat šetří místo, ale snižuje přesnost. Musíte se rozhodnout, kde nakreslit čáru.
Když zvýšíte vzorkovací frekvenci a rozlišení, dějí se zajímavé věci. Pokud se podíváte na graf, rychlost a přesnost se zdvojnásobí a dosáhne 40 úrovní při 4000 vzorcích za sekundu. To poskytuje lepší věrnost. Výstupní průběh se začíná podobat původnímu signálu. Pro CD je standardem 44 100 vzorků za sekundu (44,1 kHz) s 65 536 gradacemi (16 bitů). Na této úrovni se výstup DAC shoduje s tvarem vlny tak těsně, že to lidskému uchu zní „dokonale“.
Zařízení se ale může rychle prodražit.
Tradiční DAC používají různé odpory pro každý bit. 4bitový DAC vyžaduje čtyři paralelně zapojené odpory. Přechod na 16 nebo 32 bitů vyžaduje dostatek rezistorů pro zvládnutí 65 536 gradací. Přesné nastavení těchto hodnot je pro výrobce noční můrou.
Jednobitové duální digitálně-analogové převodníky řeší tento problém tím, že zcela eliminují potřebu odporové banky. Paralelní odpory se nepoužívají. Místo toho je na základě digitálních dat vytvořen modulovaný signál. Tento proces je založen na noise shaping.
Proč funguje tvarování šumu
Lidské ucho má své limity. Nejcitlivější jsme na šum kolem 5 kHz. Při frekvencích do 20 kHz je šum sotva znatelný. Noise shaping posouvá kvantizační chyby (šum) do vyšších frekvencí, takže jsou neslyšitelné. DAC produkují stabilní analogové signály bez potřeby stovek přesných komponent.
Role delta-sigma modulátoru
Delta-Sigma Modulator je srdcem tohoto převodníku. Vezme binární signál (jedničky a nuly) z CD a převede ho na shluk pulsů. Je to víc než jen streamování. Shluk pulzů obsahuje průměrnou změnu energie každého vzorku.
Pulzní křivky jsou taktovány na velmi vysokou frekvenci, která překračuje vzorkovací frekvenci 44,1 kHz. Toto převzorkování je důležité. Dolní propust pak odstraní informace o časové doméně. Vrátí se pouze průměrná energie výbuchu. Výsledek je přiveden do DAC a je odeslán analogový signál.
Jak je obvod přerušen
Obvod delta-sigma se skládá ze dvou různých částí.
- Delta monitoruje příchozí digitální signál a odchozí dávku pulzů. Na základě rozdílu mezi nimi je vypočítán chybový signál.
- Sigma sečte výsledek tohoto chybového signálu. Tato částka bude odeslána do dolní propusti.
Dolní propust využívá chybový signál k průměrování analogového výstupu. Mikroskopické úpravy kompenzují mezery mezi binárním vstupem a výstupem burst. Výsledek je hladký.
Výsledky
Získejte vysoce kvalitní zvuk s jednoduchým vybavením. Není třeba upravovat 65 536 odporů. Hluk je přenášen mimo slyšitelný rozsah. Posluchač slyší hudbu, ne matematiku.
Tento přístup mění způsob konstrukce audio zařízení. Složitost přechází od analogové přesnosti k digitálnímu zpracování. Kompromisem je výpočetní výkon. Pro většinu posluchačů ale kompromis stojí za to.
Technologie těchto měničů je velmi intenzivní. Podrobná schémata a pokyny jsou k dispozici online. Pokud se chcete dozvědět více, podívejte se na Delta Sigma Modulation a Adaptive Delta Modulation. Matematika je těžká. Výsledek je jednoduchý. Zvuk je čistý.
Stále přemýšlíte, jak to ovlivňuje váš každodenní zvukový zážitek? Rozdíl mezi levnými a špičkovými DAC často spočívá v jejich schopnosti zvládnout tvarování hluku. Nejde jen o bity a vzorky. Jde o to, jak auta skrývají své nedostatky.
