Standardowy dźwięk cyfrowy opiera się na prostym założeniu: przechwytywać falę, przechowywać informacje matematyczne i odtwarzać falę. Teoretycznie jest czysto. W praktyce jest to szereg transformacji powodujących szumy, zniekształcenia i błędy fazowe.
Aby zrozumieć, dlaczego istnieją 1-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe (DAC), należy zrozumieć podstawowe mechanizmy nagrywania cyfrowego. Celem jest wysoka wierność. Chcemy, aby odtwarzanie było jak najbardziej zbliżone do oryginalnego sygnału. wymagane jest również doskonałe odtwarzanie. Nieważne, ile razy go słuchasz, za każdym razem, gdy naciśniesz przycisk odtwarzania, powinien brzmieć tak samo.
Cyfrowy dźwięk osiąga to poprzez całkowite wyeliminowanie fal analogowych. Zamiast tego ciągłe napięcie audio jest przekształcane na strumień cyfrowy. Przechwytywanie odbywa się za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) przekształca te liczby na napięcia dla głośników.
Proces ten jest wyznaczany przez dwie zmienne kontrolowane podczas pobierania próbek.
- Częstotliwość próbkowania: liczba zdjęć fal robionych na sekundę.
- Dokładność próbkowania: Ile różnych poziomów (etapów kwantyzacji) istnieje pomiędzy minimalną i maksymalną głośnością.
Rozważmy hipotetyczną konfigurację z częstotliwością próbkowania 1000 Hz i rozdzielczością 10 kroków.
Co milisekundę przetwornik ADC mierzy napięcie fali prądu i zaokrągla je do najbliższej liczby całkowitej od 0 do 9. Te liczby całkowite są reprezentacją cyfrową. DAC próbuje zrekonstruować krzywe podczas ich odtwarzania. Rezultatem jest stopniowe przybliżanie pierwotnej fali.
Na tym etapie mogą pojawić się artefakty. Jest hałas. Występują zniekształcenia.
1-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy eliminuje tę złożoność. Nie ma to być dokładne odwzorowanie. Nie stara się robić zbyt wielu rzeczy na raz. Stosowane są tylko dwa tryby: włączony lub wyłączony. Wysoki czy niski? 1 lub 0.
Konwertery 1-bitowe wykorzystują techniki zwane nadpróbkowaniem i kształtowaniem szumu, zwiększając częstotliwość próbkowania do milionów razy większą niż częstotliwość dźwięku. Przenoszą szum kwantyzacji z zakresu słyszalnego do widma ultradźwiękowego, gdzie można go łatwo odfiltrować.
Rezultatem jest kształt fali całkowicie odmienny od schodkowej niebieskiej linii obserwowanej w tradycyjnych przetwornikach cyfrowo-analogowych. Jest to surowy strumień impulsów o wysokiej częstotliwości, który po wygładzeniu przez głośnik daje gładki, analogowy dźwięk.
Takie podejście jest często nazywane Direct Stream Digital (DSD). Został opracowany przez Sony i Philips dla formatu Super Audio CD. To nie tylko sposób na przechowywanie danych. To inna filozofia radzenia sobie z hałasem.
Tradycyjne wielobitowe przetworniki DAC (takie jak 16-bitowy lub 24-bitowy PCM) mają problemy z liniowością. Drobne błędy w kodzie cyfrowym prowadziły do zniekształceń harmonicznych. 1-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy nie ma takich problemów z liniowością. Jest albo całkowicie włączony, albo całkowicie wyłączony. „Prawie” nie jest opcją.
Jednak ta prostota ma swoje wady. Szybkość przesyłania danych jest ogromna. Standardowy plik audio CD zajmuje około 10 MB na minutę. Pliki DSD tej samej jakości ważą ponad 400 MB. Dlatego nie ma ich w ustawieniach domyślnych w Spotify czy Apple Music. Są bardzo „ciężkie”. Są trudne w obróbce.
Jednak audiofile oceniają jakość dźwięku w następujący sposób.
Spójrzmy na porównanie przebiegów. Niebieska linia wygląda na pomieszaną w porównaniu z oryginalną czerwoną linią. Szczegóły znikają. Odtwarzanie staje się nierówne, niedokładne i ma oczywiste wady. To jest błąd próbkowania. To różnica pomiędzy tym, jak dźwięk faktycznie brzmi w świecie analogowym, a tym, co rejestrują systemy cyfrowe. Tego problemu nie można zignorować. Należy to rozwiązać, zwiększając dwa czynniki: częstotliwość próbkowania i dokładność.
Dokładnie wypełnia lukę
Poprzednie próby były zbyt prymitywne. Aby uzyskać lepsze wyniki, należy podwoić szybkość i dokładność. Oznacza to podwojenie liczby pomiarów na sekundę i podwojenie liczby dostępnych poziomów (kroków) do pomiaru.
W tym zaktualizowanym scenariuszu system rejestruje amplitudę z dokładnością do 20 gradacji. Dzieje się to z szybkością 2000 próbek na sekundę. Stanowi to znaczną poprawę w stosunku do poprzednich wysiłków w zakresie niskiej rozdzielczości. Niebieska linia jest teraz znacznie bliżej czerwonej linii. Postrzępione krawędzie stają się gładsze. Dźwięk staje się bliższy rzeczywistości.
Wyższe częstotliwości próbkowania i większa głębia bitowa redukują błędy pomiędzy źródłem analogowym a jego kopią cyfrową.
Dlaczego ma to znaczenie w codziennym użytkowaniu audio
Być może myślisz, że to tylko teoria. To jest błędne. Za każdym razem, gdy odtwarzasz utwór lub nagrywasz wiadomość głosową, Twoje urządzenie toczy tę samą bitwę. Jeśli częstotliwość próbkowania jest zbyt niska, dźwięk będzie zniekształcony. Wysokie częstotliwości są tracone. Muzyka brzmi stłumiona lub metaliczna. Dokładność jest również ważna. Bez wystarczającej gradacji (bitów) ciche szczegóły zamieniają się w ciszę lub hałas.
Podwajając prędkość do 2000 próbek na sekundę, możesz przechwycić więcej przebiegów. Zwiększenie liczby poziomów do 20 pozwala na dokładniejsze rozdzielenie objętości. W rezultacie sygnał staje się bardziej podobny do występu na żywo. Nie jest jeszcze idealny. Ale jest bliżej ideału.
Czerwona linia jest nadal idealna. Niebieska linia jest najlepszym przybliżeniem. Użycie większej liczby punktów danych i bardziej precyzyjnych kroków poprawia dopasowanie. Różnica jest coraz mniejsza. Ale jeśli nie masz nieograniczonych zasobów, nigdy nie zniknie całkowicie. To jest kompromis. Więcej danych wymaga większej przestrzeni dyskowej i mocy obliczeniowej. Mniej danych oszczędza miejsce, ale zmniejsza dokładność. Musisz zdecydować, gdzie narysować linię.
Ciekawe rzeczy dzieją się, gdy zwiększasz częstotliwość próbkowania i rozdzielczość. Jeśli spojrzysz na wykres, prędkość i dokładność podwoją się, osiągając 40 poziomów przy 4000 próbek na sekundę. Zapewnia to lepszą wierność. Przebieg wyjściowy zaczyna przypominać sygnał oryginalny. W przypadku płyt CD standardem jest 44 100 próbek na sekundę (44,1 kHz) z 65 536 gradacjami (16 bitów). Na tym poziomie sygnał wyjściowy DAC tak ściśle dopasowuje się do kształtu fali, że brzmi „idealnie” dla ludzkiego ucha.
Ale sprzęt może szybko stać się drogi.
Tradycyjne przetworniki DAC wykorzystują różne rezystory dla każdego bitu. 4-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy wymaga czterech rezystorów połączonych równolegle. Przejście na wersję 16- lub 32-bitową wymaga wystarczającej liczby rezystorów, aby obsłużyć 65 536 gradacji. Dokładne ustawienie tych wartości to koszmar dla producentów.
Jednobitowe podwójne konwertery cyfrowo-analogowe rozwiązują ten problem, całkowicie eliminując potrzebę stosowania banku rezystorów. Rezystory równoległe nie są używane. Zamiast tego tworzony jest modulowany sygnał na podstawie danych cyfrowych. Proces ten opiera się na kształtowaniu szumu.
Dlaczego kształtowanie szumu działa
Ludzkie ucho ma swoje ograniczenia. Jesteśmy najbardziej wrażliwi na hałas w okolicach 5 kHz. Przy częstotliwościach do 20 kHz szum jest ledwo zauważalny. Kształtowanie szumu przesuwa błędy kwantyzacji (szum) na wyższe częstotliwości, czyniąc je niesłyszalnymi. Przetworniki cyfrowo-analogowe wytwarzają stabilne sygnały analogowe bez potrzeby stosowania setek precyzyjnych komponentów.
Rola modulatora delta-sigma
Modulator Delta-Sigma jest sercem tego konwertera. Pobiera sygnał binarny (jedynki i zera) z płyty CD i konwertuje go na impulsy impulsów. To coś więcej niż tylko przesyłanie strumieniowe. Seria impulsów zawiera średnią zmianę energii każdej próbki.
Przebiegi impulsowe są taktowane z bardzo dużą częstotliwością, przekraczającą częstotliwość próbkowania 44,1 kHz. To ponowne próbkowanie jest ważne. Następnie filtr dolnoprzepustowy usuwa informacje w domenie czasu. Zwracana jest tylko średnia energia wybuchu. Wynik jest podawany do przetwornika cyfrowo-analogowego i wysyłany jest sygnał analogowy.
Jak obwód jest uszkodzony
Obwód delta-sigma składa się z dwóch różnych części.
- Delta monitoruje przychodzący sygnał cyfrowy i wychodzącą serię impulsów. Na podstawie różnicy między nimi obliczany jest sygnał błędu.
- Sigma sumuje wynik tego sygnału błędu. Kwota ta zostanie wysłana do filtra dolnoprzepustowego.
Filtr dolnoprzepustowy wykorzystuje sygnał błędu do uśredniania sygnału wyjściowego analogowego. Mikroskopijne regulacje kompensują przerwy pomiędzy wejściem binarnym a wyjściem impulsowym. Rezultat jest gładki.
Wyniki
Uzyskaj dźwięk wysokiej jakości za pomocą prostego sprzętu. Nie ma potrzeby regulacji 65 536 rezystorów. Hałas jest przenoszony poza zakres słyszalny. Słuchacz słyszy muzykę, a nie matematykę.
Takie podejście zmienia sposób konstruowania sprzętu audio. Złożoność przenosi się z precyzji analogowej do przetwarzania cyfrowego. Kompromisem jest moc obliczeniowa. Ale dla większości słuchaczy ten kompromis jest tego wart.
Technologia stojąca za tymi konwerterami jest bardzo intensywna. Szczegółowe schematy i instrukcje są dostępne w Internecie. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej, sprawdź Modulacja Delta Sigma i Adaptacyjna modulacja Delta. Matematyka jest trudna. Wynik jest prosty. Dźwięk jest czysty.
Nadal zastanawiasz się, jak to wpływa na Twoje codzienne wrażenia dźwiękowe? Różnica między tanimi i wysokiej klasy przetwornikami cyfrowo-analogowymi często polega na ich zdolności do radzenia sobie z kształtowaniem szumu. Nie chodzi tylko o bity i próbki. Chodzi o to, jak samochody ukrywają swoje wady.
