Всем Доброго Аудиофильского!
Тут такое дело. Пропал я аж на 2.5 дня. Ни одной новой статьи.
Я точно знаю, что как минимум 2 постоянных читателя начали волноваться.
На самом деле никуда я не пропадал. Я оба дня во всю на сообщения в комментеах отвечал. Т.е. я был на канале. Просто с другой стороны. А вот статейки и правда не писал.
Штудировал цифровой аудио-процессор. Забавная надо сказать штука. Правда пока-что у меня слишком высокий КНИ и слышимые шумы коммутации на выходе, в том проекте, который я делаю.
Но сегодня как раз про цифру и поговорим. У нас ведь неделя цифровых систем.
Сегодня у нас сравнение форматов класса Хай Рез первой волны.
Ну вернее как первой. Изначально как было. Создали цифровой звук на 44 кГц на 16 бит.
Но на студиях звукорежиссеры как-то сразу начали протестовать. Мол работать невозможно. Чуть какая обработка сигнала и все трещит.
Не получается как-то вот аналоговый тракт заменить. Проблемы лезут.
Тут мир понятное дело разделился на 2 направления:
1. Те кто решил, что ресурсы важнее, и нужно искать решение возникших проблем в текущих ограниченных условиях.
2. Те кто решил идти путем устранения проблем за счет наращивания ресурсов.
История конечно показала, что второй вариант оказался более экономичным. Но про это чуть позже. В другой статье.
История так же покажет, что оба направления тесно переплетались между собой. Постоянно обмениваясь достижениями.
В общем как дело было. В 1982м году коммерческая музыка в США, Европе и Японии одномоментно переходит на цифровую звукозапись.
Цифра студии, на катушечных цифровых магнитофонах, была 44 кГц и 16 бит. С ней проблемы и возникли. С этого момента 90 процентов музыки выходят именно в этом формате. И на Винил пишут так же цифру в этом формате.
Через 2 года в 1986м году, так же одномоментно в США, Европе, и Японии происходит смена формата на 96 кГц и 24 бита.
С этого момента 80 процентов музыки пишется в этом формате, и на Винил так же пишется в этом формате.
При этом выпущенная многоканальная цифровая техника уходит на нужды кинематографа. Там до сих пор 48 кГц дискретизации при 24х битах на студиях.
***
А в чем собственно проблема с цифрой на 44 кГц?
Так уж вышло, что ключевых проблем 4:
1. Катастрофическое непонимание инженерами Теоремы Котельникова, Найквиста, Шеннона и Уиттакера.
2. Схемотехнические артефакты в работе АЦП.
3. Схемотехнические артефакты в работе ЦАП.
4. Схемотехнические артефакты в реакциях окружающего мира на логические импульсные сигналы.
***
Давайте быстренько пробежимся по ним.
1. Теорема гласит, что при "слепой передаче"(особый термин из мира обработки сигналов) 2х выборок, из всего моногообразия значений, выбранных на частоте в 2 раза большей граничной частоты спектра, при применении сложных вычислительных процессов, полностью восстанавливается все многообразие исходных значений сигнала.
При этом в Теореме ни слова о квантовании. Т.е. о количестве битиков. Суть здесь в том, что Теорема эта для АИМ. Амплитудно-Импусльной Модуляции.
Это когда амплитуда передается без ограничений по точности. В аналоговой форме.
А у нас 16 бит - это точность до 5го знака после запятой. 24 бит - до 8го.
А число Пи нынче вычислено математиками до триллионного знака. Да его прочитать жизни не хватит. 70 лет это 2 миллиарда секунд.
И здесь возникает проблема, суть которой в том, что для вычисления правильных значений амплитуды, при 2х выборках, этой точности катастрофически не хватает.
Но это половина проблемы.
Главная проблема в том, что современные системы звукозаписи не используют Теорему от слова вообще. На ЦАП идет то же самое, что получили с АЦП. Вопреки всем требованиям о дополнительной работе.
Ну вернее как. Есть схемы полностью игнорирующие данные моменты. А есть и более хитрые.
Но об этом позже.
2. Искажения АЦП.
Здесь 2 ключевых момента. Первый - лаг синхронизации. Суть в том, что амплитуду надо как-то зафиксировать на время преобразоивания ее значения в цифровой код. А ведь реальный даже одиночный синус меняется по амплитуде все время.
Есть 2 подхода к этому моменту. Ох уж это число 2 сегодня.
Первый, фиксировать. Система фиксации в виде конденсатора. У нее свои частотные нелинейности, приводящие к сдвигу фаз. Вторая система - не фиксировать. Дает сбои по времени момента реальной выборки в пределах интервала между выборками. По сути аналогичное дрожание фазы, только с другим причинно-следственным характером.
Как итог на звуке есть слышимая разница.
Второе искажение в АЦП - линейность между интервалами квантования. В силу допусков и погрешностей, а так же невозможностей идеального, этот параметр тоже пошаливает.
3. Искажения ЦАП
Остановлюсь только на самом важном - гармоники коммутации.
При переключении импульсов на "лестнице" мы имеем меандры. А они как известно в конденасторах просто так не проходят.
Это приводит к модуляции полезным сигналом хаотического спектра гармоник.
4. А кто вам сказал, что импульсы, записанные на ленту или иной носитель, идеально туда записаны, и потом идеально считаны без ошибок?
Тут обычно инженеры компьютеры приводят фразу, что в компьютерах есть сложные алгоритмы безопасности. А если я вам напишу фразу "Возможные сбои хоть и имеют место быть но настолько минимальны, что не имеют слышимой девиации сигнала"? Что будем делать? Верить мне на слово, или я на пенсионерах со слуховыми аппаратами проверял слышат они разницу или нет? Вы вообще готовы мне на слово поверить?
А кто по вашему борошюрки с прикольными слоганами и картинками пишет? Снова я? А если вы мне не верите, то как вышло, что другому пацану, который про брошюрки с прикольными слоганами и картинками, поверили?
***
В общем движемся дальше.
Есть 3 типа АЦП. (прогресс в числах однако)
1. Компараторный или АЦП последовательного приближения.
2. АЦП мультибитовый.
3. Сигма-Дельта АЦП.
Первый вид работает просто. У Диф-Каскада есть один эффект. Если на обоих его плечах одинаковое значение, то на выходе то, что инженеры любя называют Опрокидывание Диф-Каскада.
Теперь берем такой эксперимент. Подаем на одно плечо полезный сигнал. Для начала постоянный.
А на другой плавно растущее напряжение во время заряда конденсатора.
Далее ставим генератор меандра. И счетчик импульсов.
Теперь, когда у нас заряжается конденсатор, мы считаем импульсы. На выходе счетчика будет цифровой выход на те же 16 бит. Когда компаратор опрокинется, мы значение запишем в память.
После чего обнулим конденсатор и заново начнем.
Т.е. вместо преобразования значения амплитуды, происходит подсчет импульсов до момента когда значения амплитуд сравняются.
По факту на выходе, что у компараторного, что у мультибита - одинаковые значения. В одинаковом паралельном интерфейсе.
Разница только в искажениях, гармониках и том факте, что амплитуда в процессе подсчета импульсов так же меняется. Ну и тактовые частоты разные.
У мультибита на 44 кГц, а тут еще в 16 раз выше надо дополнительно щелкать.
Ну и тут третий вид.
Он уже следствие этих 2х. Появился после того как придумали технологию удержания амплитуды.
Если мы фиксируем значение прошлой выборки, то чего бы нам просто не сравнивать как изменилась следующая выборка? Стала она на один бит больше или на один бит меньше?
Сказано-сделано.
Так появился однобитовый Сигма-Дельта.
Он по сути АЦП последовательного сравнения. При этом сигнал на выходе это 0 - если амплитуда стала ниже. 1 - Если выше.
Для работы с постоянным уровнем сигнала. Например с нулем, в сигнал подмешивают на максимальной частоте малый шум, который постоянно щелкает 1-0-1-0-1.
Но к этой штуке Теорема Котельникова-Найквсиста-Шеннона-Уиттакера вообще никакого отношения не имеет.
Ведь здесь у нас частота дискретизации 44 000*16. А это как бы 704 кГц.
При этом ширина спектра теперь зависит от амплитуды. На малых значениях пропишется и 300 кГц. А вот на больших только 22 кГц.
***
И тут первым делом нужно бы рассмотреть как работает Компакт Диск.
Дело в том, что на практике в 90х годах применялись и Мультибит АЦП и Сигма-Дельта.
Но на дисках само собой данные хранились в привычных 44 кГц и 16 бит. Т.е. Сигму-Дельту перекодировали. Само собой ограничив и АЧХ.
При этом ЦД плееры тоже были и мультибит ЦАП которые ничего не перекодировали.
И Сигма-Дельта, которой неизбежно нужно было проводить перекодирование.
И здесь важный момент. Дело в том, что Сигма-Дельта работая даже в таких условиях, на более высокой частоте дискретизации, давала значительно меньше гармоник коммутации в полезном звуковом сигнале.
Они улетали в ульта-звук.
Глядя на это явление, еще в 80х происходящее, попробовали делать и мультибит с передискретизацией на 88 кГц. А в начале 20го века докатились и до передискретизации на 192 кГц, которую потом перекодировали в Сигма-Дельта на 4 мГц - что эквивалент 192 кГц в мультибите.
***
До Сигма-Дельта АЦП тоже при записи сигнала формирует меньше гармоник.
И разница в звуке на таком АЦП тоже слышна.
И тут чего подумали. А что если попробовать частоту дискретизации АЦП поднять, потом правильно перекодировать в 16/44. Мы ведь к этому моменту это уже во всю делали на Сигма-Дельта, при записи ее на Компакт Диск.
Ну сказано - сделано. Компания JVC подобными рационализаторскими играми с 1976го года увлекается. Как VHS видик сообразили с хитрыми системами устранения детонации механизма. Там она приводила к перемещению точек на экране талевизора. Это было как-то так сразу видно. Особенно когда целые строки уезжали вправо-влево.
Так они с тех пор и шпилят всякое разное в этом направлении.
Вот и в этот раз отличились.
Стали оцифровывать сигнал на 96 кГц и 24 бита. А потом перекодировать в 44 кГц и 16 бит.
Назвали это xrcd. И надо сказать, что звучит он несколько хуже, чем чистый 96 кГц и на ЦАП и на АЦП и на Хранении. Но все таки значительно ближе именно к такому формату нежели к 44 кГц.
***
Это дело случилось году эдак в 1998м.
Тогда же начались разговоры, что надо бы и честные 96 кГц продавать. Да и Сигму-Дельту сообразить.
В общем появились DVD-Audio и SACD.
Первый являл собой 96 кГц на 24 бит. Правда не всегда. Было много ДВД-Аудио где и 44 кГц на 24 бита, и 88 кГц на 24 бита.
А на Супер-Аудио ЦД сообразили записывать Сигма-Дельта напрямую. На тот же ДВД диск. Только еще сообразили вращать его в другую сторону.
На этом носителе была Сигма-Дельта гарантированно и на АЦП и на ЦАП и на Хранении.
Но частоту дискретизации выбрали эквивалентную 88 кГц и на 32 бит.
Что вообще-то противоречит принятым на студиях 96 кГц на 24 бита.
Т.е. получился парадокс сведения. Сводили на 96, а потом перекодировали на 88.
Правда есть разговор, что сделан был полный комплект аппаратуры работающий в 88 кГц и 32 бит. Для выполнения цифрового сведения все таки нужно было перекодировать в мультибитовое представление.
Математические операции делаются в мультибите.
Несколько позже. Уже году в 2007м решено было и 192 кГц писать.
В этот момент на ДВД-Аудио его писать и стали.
А вот на SACD вышла опять несуразица. Сделали 176 кГц и 32 бита.
И тут надо сказать, что на слух все равно разница в пользу ДВД-Аудио.
Да САЦД хорошо звучит на этих 4 мГц дискретизации. Но вот эти 176 и 192. Все таки даже при таких числах разница в пользу 192.
При том, что лично у меня дома система на Сигма-Дельте ЦАПе. Правда его тактовая все таки нативно-синхронная. Т.е. 192 000*24.
Но принцип устранения лишних гармоник - он и на такой частоте дает положительный результат. Мультибит дает более грязное звучание высоких частот.
Да и по приборам КНИ у него выше.
***
Но нам нужно подловить важный момент. На обложке у меня формат xrcd24. В его основе запись на 192 кГц и 24 бит.. Которая потом перекодируется специальным алгоритмом в 44 кГц и 16 бит.
И тут надо сказать, что такие диски. Компакт Диски. Звучат они как SACD на 176 кГц. Сходу и не отличить. Это конечно несколько хуже, чем полноценный 192 кГц на всех трех стадиях.
Но факт есть факт. Основные искажения цифрового звука они в АЦП еще на записи возникают.
И дальше с ними невозможно ничего сделать. Если запись на 44 кГц и 16 бит. То вот эти битики вносят такую дикую погрешность, а вернее ограничение на точность замеров амплитуды, что дальше никакой математический алгоритм ничего восстановить не может.
Кстати именно по причине этой невозможности процессор ставить не стали. А зачем? Если можно на этой же частоте дискретизации воспроизвести и получить то же самое?
И в этот момент мы неизбежно выводим такое правило в цифровых сигналах. "Воспроизвести на 2х выборках сигнал качественно можно. А вот записать нельзя."
А тот факт, что это утверждение диаметрально противоположно знаменитой Теореме Котельникова-Найквиста-Шеннона-Уиттакера.
Ну вот противоречит оно ему и все тут!!!
Уж не знаю кто тут прав. Сколько в истории мира случаев было, что теоремы меняли кардинально? Достаточно вспомнить, что Земля Вертится. Да и с теорией Дарвина какие-то проблемы нынче. Говорят не верна она ни разу.
***
Вот такая сегодня история.
Спасибо, что дочитали!
фото коллаж на обложку выполнен мной из фото отсюда:
1. https://aredi.ru/zolotye_pesni_greatest_hits_carpenters_xrcd24_10034931665.html