Стандартное цифровое аудио основано на простой предпосылке: захват волны, хранение математической информации и воссоздание волны. В теории это чисто. На практике же это ряд преобразований, вызывающих шум, искажения и фазовые ошибки.
Чтобы понять, зачем существуют 1-битные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), нужно понять базовые механизмы цифровой записи. Цель — высокая точность воспроизведения. Мы хотим, чтобы воспроизведение было как можно ближе к оригинальному сигналу. Также требуется идеальное воспроизведение. Независимо от того, сколько раз вы его слушали, оно должно звучать одинаково каждый раз, когда вы нажимаете воспроизведение.
Цифровое аудио достигает этого, полностью исключая аналоговые волны. Вместо этого непрерывное аудионапряжение преобразуется в цифровой поток. Этот захват осуществляет аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует эти числа в напряжения для динамиков.
Этот процесс определяется двумя переменными, которые контролируются во время дискретизации.
- Частота дискретизации: количество снимков волны, сделанных за секунду.
- Точность дискретизации: сколько различных уровней (шагов квантования) существует между минимальной и максимальной громкостью.
Рассмотрим гипотетическую установку с частотой дискретизации 1000 Гц и разрешением 10 шагов.
Каждые миллисекунды АЦП берет текущее напряжение волны и округляет его до ближайшего целого числа от 0 до 9. Эти целые числа являются цифровым представлением. ЦАП пытается восстановить кривые при их воспроизведении. Результатом является пошаговое приближение исходной волны.
Этот шаг может внести артефакты. Появляется шум. Возникают искажения.
1-битный ЦАП устраняет эту сложность. Он не предназначен для точного представления. Он не пытается делать слишком много вещей одновременно. Используется только два режима: включено или выключено. Высокий или низкий? 1 или 0.
1-битные преобразователи используют техники, называемые передискретизацией (oversampling) и формированием шума, увеличивая частоту дискретизации до миллионов раз по сравнению с аудиочастотой. Они перемещают шум квантования из слышимого диапазона в ультразвуковой спектр, где его можно легко отфильтровать.
Результатом является волна, совершенно отличная от ступенчатой синей линии, видимой в традиционных ЦАП. Это сырой поток высокочастотных импульсов, который, сглаживаясь динамиком, производит плавный аналоговый звук.
Этот подход часто называют Direct Stream Digital (DSD). Он был разработан компаниями Sony и Philips для формата Super Audio CD. Это не просто способ хранения данных. Это другая философия того, как бороться с шумом.
Традиционные многобитные ЦАП (такие как 16-битные или 24-битные PCM) борются с линейностью. Небольшие ошибки в цифровом коде приводили к гармоническим искажениям. У 1-битного ЦАП таких проблем с линейностью нет. Он либо полностью включен, либо полностью выключен. «Почти» не является вариантом.
Однако эта простота имеет свои компромиссы. Скорость передачи данных огромна. Стандартный аудиофайл CD занимает около 10 МБ в минуту. Файлы DSD того же качества весят более 400 МБ. Именно поэтому их нет в настройках по умолчанию в Spotify или Apple Music. Они очень «тяжелые». Их сложно обрабатывать.
Тем не менее, аудиофилы оценивают характеристики звука следующим образом.
Давайте рассмотрим сравнение форм волн. Синяя линия выглядит беспорядочно по сравнению с исходной красной линией. Детали исчезают. Воспроизведение становится неравномерным, неточным и имеет очевидные дефекты. Это и есть ошибка дискретизации. Это разница между тем, как звук звучит в аналоговом мире на самом деле, и тем, что записывают цифровые системы. Эту проблему нельзя игнорировать. Ее необходимо решить, увеличив два фактора: частоту дискретизации и точность.
Устранение разрыва в точности
Предыдущие попытки были слишком грубыми. Для получения лучших результатов скорость и точность следует удвоить. Это означает, что количество измерений в секунду удваивается, а также удваивается количество доступных уровней (шагов) для измерения.
В этом обновленном сценарии система захватывает амплитуду с точностью до 20 градаций. Это происходит с частотой 2000 отсчетов в секунду. Это значительный шаг вперед по сравнению с предыдущими попытками низкой четкости. Синяя линия теперь гораздо плотнее прилегает к красной линии. Зубчатые края становятся более плавными. Звучание становится ближе к реальности.
Более высокая частота дискретизации и большая разрядность (битность) уменьшают ошибки между аналоговым источником и его цифровой копией.
Почему это важно для повседневного аудио
Возможно, вы думаете, что это просто теория. Это не так. Каждый раз, когда вы воспроизводите песню или записываете голосовое сообщение, ваше устройство ведет ту же самую борьбу. Если частота дискретизации слишком низкая, звук будет искажен. Высокие частоты теряются. Музыка звучит глухо или металлически. Важна также точность. Без достаточного количества градаций (бит) тихие детали затухают в тишине или шуме.
Удвоив скорость до 2000 отсчетов в секунду, вы можете захватить больше форм волн. Увеличение количества уровней до 20 позволяет обеспечить более тонкое разделение громкости. В результате сигнал становится более похожим на живое исполнение. Он еще не идеален. Но он ближе к идеалу.
Красная линия по-прежнему является идеалом. Синяя линия — это наилучшее приближение. Использование большего количества точек данных и более точных шагов улучшает совпадение. Разница становится меньше. Но если у вас нет бесконечных ресурсов, она никогда не исчезает полностью. Это и есть компромисс. Больший объем данных требует больше места для хранения и вычислительной мощности. Меньший объем данных экономит место, но снижает точность. Вам нужно решить, где провести границу.
При увеличении частоты дискретизации и разрешения происходят интересные вещи. Если посмотреть на график, скорость и точность удваиваются, достигая 40 уровней при 4000 отсчетов в секунду. Это обеспечивает лучшую точность воспроизведения. Форма выходного сигнала начинает напоминать исходный сигнал. Для CD стандартом является 44 100 отсчетов в секунду (44,1 кГц) с 65 536 градациями (16 бит). На этом уровне выходной сигнал ЦАП совпадает с формой волны настолько точно, что для человеческого уха он звучит «идеально».
Но оборудование может быстро стать дорогим.
Традиционные ЦАП используют разные резисторы для каждого бита. 4-битному ЦАП требуется четыре резистора, соединенных параллельно. Переход на 16- или 32-битный требует наличия достаточного количества сопротивлений для обработки 65 536 градаций. Точная подгонка этих значений является кошмаром для производителей.
Однобитные двойные цифро-аналоговые преобразователи решают эту проблему, полностью обходясь без банка резисторов. Параллельные резисторы не используются. Вместо этого создается модулированный сигнал на основе цифровых данных. Этот процесс основан на формировании шума.
Почему работает формирование шума
Человеческое ухо имеет свои пределы. Мы наиболее чувствительны к шуму в районе 5 кГц. На частотах до 20 кГц шум едва заметен. Формирование шума смещает ошибки квантования (шум) на более высокие частоты, делая их неслышимыми. ЦАП производят стабильные аналоговые сигналы без необходимости использования сотен прецизионных компонентов.
Роль дельта-сигма модулятора
Дельта-сигма модулятор является сердцем этого преобразователя. Он принимает бинарный сигнал (единицы и нули) с CD и преобразует его в пачку импульсов. Это больше, чем просто потоковая передача. Пачка импульсов содержит среднее изменение энергии каждого отсчета.
Импульсные формы сигнала тактируются на очень высокой частоте, превышающей частоту дискретизации 44,1 кГц. Это передискретизация имеет важное значение. Затем фильтр нижних частот удаляет информацию во временной области. Возвращается только средняя энергия пачки импульсов. Результат подается на ЦАП, и отправляется аналоговый сигнал.
Как разбивается схема
Дельта-сигма схема состоит из двух различных частей.
- Дельта отслеживает входящий цифровой сигнал и исходящую пачку импульсов. На основе разницы между ними вычисляется сигнал ошибки.
- Сигма суммирует результат этого сигнала ошибки. Эта сумма будет отправлена на фильтр нижних частот.
Фильтр нижних частот использует сигнал ошибки для усреднения аналогового выхода. Микроскопические корректировки компенсируют разрывы между бинарным входом и выходом пачки импульсов. Результат получается плавным.
Результаты
Получение высококачественного звука с помощью простого оборудования. Нет необходимости подгонять 65 536 резисторов. Шум выносится за пределы слышимого диапазона. Слушатель слышит музыку, а не математику.
Этот подход меняет способ создания аудиооборудования. Сложность переносится из аналоговой точности в цифровую обработку. Компромиссом является вычислительная мощность. Но для большинства слушателей этот компромисс того стоит.
Технология, лежащая в основе этих преобразователей, очень интенсивна. Подробные диаграммы и инструкции доступны в интернете. Если вы хотите узнать больше, ознакомьтесь с Дельта-сигма модуляцией и Адаптивной дельта-модуляцией. Математика сложная. Результат прост. Звук чистый.
Все еще задаетесь вопросом, как это влияет на ваше повседневное восприятие звука? Разница между дешевыми и высококлассными ЦАП часто заключается в их способности обрабатывать формирование шума. Речь идет не только о битах и отсчетах. Речь о том, как машины скрывают свои недостатки.
