фото отсюда https://picgalleria.com/p/findgraph.html
Всем Доброго Аудиофильского!!!
Если честно, я задумывал эту статью сделать красивой, с кучей иллюстраций, графиков, осциллограмм, схем и спектров. Но это все потребовало бы еще нескольких месяцев написания статей из цикла Аудиофильская Инженерия. А тут, в комментах, к статье про Flac, спросили, что это за форматы такие и чем отличаются? А я подумал, почему бы и нет? Чего я коту хвост мучаю? Возьму и более простым языком, с меньшим количеством подробностей, опишу, как что работает. С минимумом иллюстраций, без схемотехник, но главные фишки алгоритмов и стандартных цифровых значений приведу. Так сказать будет предварительная статья, для лучшего последующего понимания большой и сложной.
И вот ее и представляю вашему вниманию.
Первым делом разберем это все на примере работы CD на 44 кГц и 16 бит. А позже с Хай Резами выясним как, что у них.
1. РСМ - Pulse Code Modulation
фото из сервиса Яндкекс.Картинки со ссылкой сюда http://flagman22.ru/znwik8/pulse-width-modulation-pdf.html
Тут все известно. АЦП с частотой в 2 раза выше граничной частоты записываемого сигнала, "выхватывает" значения и делает замер по амплитуде. После чего она сохраняется.
ЦАП в свою очередь, получая эти цифровые значения амплитуды, выводит их в аналоговой форме. И держит это значение амплитуды, пока не придет от таймера команда сменить его на следующее.
В итоге, нам часто рисуют некоторую лесенку которая огибает синусоиду. На реальном сигнале это все само собой не так.
Вернее как. На частоте, где выборок много, это все таки и выглядит. Но вот на частотах где выборок мало. Особенно на граничных, ЦАП выдает сначала 1 вольт, а второй выборкой -1 вольт. И никаких плавных реверансов. Сглаживающий фильтр на выходе, понятное дело, от такого в шоке.
Но и не он один. Ведь и идеальная лесенка это тоже меандр. Она же прямые линии имеет, вместо плавных изгибов. А меандр это всегда спектр из кучи высших гармоник. И ладно бы если он равномерный. Но тут он очень сильно изменяется, в зависимости от амплитуды и частоты. Чем выше амплитуда, тем агрессивнее гармоники, чем выше частота - тем снова агрессивнее гармоники.
В результате на тихом сигнале в 1 кГц все красиво, а вот стоит этому сигналу начать басы во всю дурь качать и тарелками звенеть, так там и на этом 1 кГц такое начинается.
2. Сигма-Дельта Модуляция
Помните в 90-х стали массово появляться ЦД-плееры с надписьсю 1-Bit DAC на передней панели?
фото отсюда https://www.ebuyshop.com.ua/eBayMoto/Item/192814573153
Т.е. вместо 16 бит они стали как-то хитро это все в 1 бит запихивать, да еще активно это дело рекламировать. Мол круто это. Зашибись, пацаны! чОткую манюню сделали!!! И это действительно так! Сейчас разберемся!
Дело в том, что главный недостаток РСМ ЦАП-ов в ступеньках. Они слишком редкие. А что если мы этот же сигнал математически преобразуем в такой, чтобы ЦАП каждый раз выдавал не абсолютное значение а только лишь изменение его на 1/16ю бита, т.е. на 1-бит но делал это в 16 раз чаще?
фото из сервиса Яндекс.Картинки со ссылкой сюда https://cahusotisucusyca.galisend.com/sigma-delta-modulators-book-974xk.php
Тогда получится, что и на самой высокой частоте у нас 16 ступенек вместо 2х. Даже вернее 32. Это все равно будет меандр, но он гораздо более высокочастотный. За счет этого гармоники все равно есть - но они тоже улетели вверх - за пределы полезного сигнала.
Вот эта штука и назыается Сигма-Дельта Модуляция, SDM.
Работает это так. Если у нас на цап приходит 1 он повышает амплитуду на фискированное значение. Если 0 то понижает.
Это как с регулятором громоксти. Плюс прибавляет, минус убавляет. В то время как на РСМ было бы как в лифте: 40 конопок с конкретными значениями. А тут всего 2 кнопки.
Вернее даже одна. Чтобы сделать продолжительный 0 полезного сигнала добавляют вч шум который на максимальной частоте делает постоянно 0-1-0-1-... Шум этот на частоте много выше полезного сигнала, а потому отфильтровать его на выходе никаких проблем. Да и амплитуда у него ниже плинтуса.
В результате получаем более ровную синусоиду, с гораздо лучшими параметрами работы.
Разве, что нужно математический процессор приделать.
Но я вам скажу, что когда в 90х это дело начали массово внедрять, то получилось, что это и дешевле и лучше. Причем на столько, что сегодня 90 процентов всех ЦАП и в смартфонах, и в ноутах, и телеках, и цд плеерах и прочих цифровых аппаратах именно на этой технологии. Даже видео ЦАП в ДВД плеерах времен аналоговых телеков и тот был на этой технологии.
3. Цифры и Реализация алгоритмов CD
Пересчет РСМ в SDM в плане частот и бит предельно прост. Наши привычне 16 бит на 44100 в СДМ это просто произведение этих значений. Т.е. 705600 кГц 1 бит. Обратный пересчет точно такой же.
Реализовали сразу 3 алгоритма работы:
1. Пресчет РСМ в СДМ
2. Пресчет СДМ в РСМ
3. АЦП в формате СДМ
Т.е. проще говоря сигнал можно оцифровывать как в РСМ так и СДМ и воспроизводить как РСМ, так и СДМ. При этом хранить можно тоже как РСМ так и СДМ.
На Компакт Диске был реализован алгоритм хранения в РСМ. Но после 90х большинство ОКД ПЗУ Плееров(меня в комметах просили применить данный термин к ЦД плееру - вот выполняю - в целом термин вполне технически обоснованный) стали оснащаться СДМ-Цапами.
4. Хай Рез
Запись Компакт Дисков на студиях велась, как с применением РСМ-АЦП, так и СДМ-АЦП. При этом отличить один от другого в общем-то не очень просто. Логотип SDM-Records, это лейбл студии звукозаписи, а не указание алгоритма оцифровки. Данный параметр на дисках не указывали. AAD, ADD и DDD-то не всегда стоял. А этот технический так вообще не рекламировался.
Но вот пришел SACD и там официально заявлено, что АЦП всегда строго ДСМ. Хранение данных по протоколу DSD - Direct Stream Digital - декларирующим, что там ДСМ без преобразований в отличие от ЦД. Ну и воспроизведение в 90 процентах случаев, тоже нативное по ДСМ. Хотя исключения при воспроизведении возможны. Тут уже все на совести производителя плеера. Гарантии стандарта относятся только к записи на диске.
Схемотехнически ДСМ ЦАП надежнее(в смысле стабильнее) чем РСМ. Ведь в РСМ нам нужно матрицу из 16 резисторов делать, и от каждого из них завсит линейность изменения аплитуды. А это повышенные требования к их точности, к обеспечению терморежима. В то время как на ДСД только 2 резистора за это дело отвечают. Один за работу в ПЛЮС, другой за работу в МИНУС. (разбор схем будет в соотвествующей части цикла статей Аудиофильской Инженерии)
Т.е. такой ЦАП и надежнее, и стабильнее, и проще в производстве. И работает лучше.
5. Числа в Хай Рез
Как известно конкуренция с небольшими различиями ускоряет прогресс. Вот тут так и получилось. Есть РСМ Хай Резы и есть ДСМ Хай Резы.
Разница их путей в том, что РСМ пошел в направлении 24 бит 48(ядро роста) кГц а ДСМ в 32 бит 44 кГц.
Т.е. на РСМ Хай Резах имеем 24/96, 24/192, 24/384
А на ДСМ 32/88, 32/176, 32/252 - но написанные в 1битовом виде, т.е. перемножения битности на частоту.
Для пущей наглядности приведу все ДСМ частоты, что нынче в тренде.
Для цд это 705600 кГц, для 38/88 - это 2.18Мгц, этот формат еще называют DSD64. Число здесь выражает коэффициент превышения частоты относительно стандарных 44кГц Компакт Диска.
Далее следует DSD128 - 4,32 мГц 32/176
Далее DSD256 - 8,64 мГц 32/252
6. Как это все звучит?
Сравнение частот ДСМ и РСМ в целом в пользу РСМ.
Т.е. по сути имеем конкурирующий баттл, что лучше чуть больше дискретизации или чуть больше битности? Дело в том, что математически восполнение недостаточной точности в информации может происходить и в ту и в другую сторону. И вот отсюда и вопрос в какую же лучше двигаться? Для этого баттл и создан.
В статье " На чем я слушал Дарк Сайд, когда писал статью про разницу в звучании между Винилом Цд?" я указываю аппарат, которым переводил всю свою виниловую коллекцию в цифру. Вернее похожую модель. У меня была более ранняя. К сожалению ее индекс я не помню.
Та машинка, что была у меня, представляла собой СДМ-АЦП и СДМ-ЦАП которые могли нативно(т.е. герц в герц и бит в бит) реализовывать приращение амплитуды как на 16, так и на 24, так и на 32-битное представление. Частоты 44, 48, 88, 96, 176 и 192. При этом аппарат РСМ частоты сохранял в РСМ представлени, а ДСМ - в DSD. Такой вот веселый студийный аппаратик. Хотя может я чего в нем и не разобрался.
Но суть одна. Я попробовал все частоты и все форматы копируя одну и ту же пластинку. И сделал так аж на 10 альбомах разных стилей.
На мой слух ДСД на 176 кГц все таки чуток не дотягивает до 192х. Все таки верх чуть жестковат и чуть резковат. Я пришел к выводу, что буду хранить коллекцию в 24/192. Конечно этот ДСД он значительно лучше чем 96кГц. Но все таки 192 еще лучше. Хотя на паре пластинок у меня и со 192 возникли проблемы. И звучание тарелочек стало жестче и утратило их очаровательную мягкость. Но на остальной коллекции все переписалось настолько приятно, что я уже 5 лет не включал винил.
6. Как звучит Мультибит РСМ-ЦАП и ДСМ-ЦАП на ЦД
Чуть не забыл самое важное сравнение. Я ведь написал, что у мультибита гармоник больше, а есть аудиофилы которые считают, что там воздух и тд. Как тут-то?
Тут я первым делом отправляю читателя к статье "Нужно ли покупать дорогую систему, чтобы услышать разницу между Винилом и CD?"
Там я разделяю аудиофилов на тех, что наиболее сильно воспринимают разиницу на вч, и на тех кто ее наиболее сильно слышит на сч.
Мультибит действительно дает гармоники которые на сч очень даже не плохо смягчают звук. Хотя по мне лучше их лампой нагонять. Но суть в том, что он действительно так делает. И на сч звук становится мягче и богаче обертонами. Но на ВЧ он при этом ШАРКААААААЕТЪ...
Не удержусь и расскажу пошлый анекдот.
"Внучка лет 12 купила дедушке резиновые изделия. Галоши называются. И как-то так, по не знанию некоторых визуальных элементов окружающего мира, и странному совпадению обстоятельств, положила их в большую характерно полиграфированную, коробку от других резиновых изделий, именуемых презерватив. И вот едет она в автобусе. Самое психологически, для нее, ценное держит в обеих руках перед собой. И тут женщина постарше, в порыве социальной ответственности, спрашивает:
-Девочка а что это у тебя?
-А это я дедушке!
-И на долго это ему?
-Да так как он шаркает ему бы на месяц хватило... "
Вот так и ВЧ на мультибите себя ведут. Хотя серединка приобретает некоторый аудиофильский интерес, и если Аудиофил значительно более критичен именно к СЧ - то его выбор вполне оправдан!
Спасибо, что дочитали!