Всем Доброго Аудиофильского!!!
Сегодня у нас сложная насыщенная история.
Сегодня мы будем ИНЕЖЕРИТЬ!!!
И Инженерить так, что Кремний Из под Паяльника Лететь Будет!!!
Но давайте сначала предисторию.
Суть ее в том, что некоторые алгоритмы сжатия в этом мире были рождены когда цифровые вычислительные системы достигли весьма высокой производительности, и при том цены на них стали умеренно доступными.
Но в то же время эти же алгоримы могли быть реализованы значительно дешевле и проще. И в аналоговой среде.
И тут что важно. Всем мы помним, что Цифровой Звук требует от транзисторов в 32 раза большей производительности.
Ведь 16 бит туда, и в 2 раза больше слышимого - сюда... Вот вам и вышло. Вынь да и положь, а в 32 раза большие требования к аналоговой части цифровой электроники.
Ведь как бы мы ни вертелись, а по итогу все логические микросхемы выводят импульсы на свои выводы, которые сталкиваются с паразитной емкостью монтажных плат. А значит в это время их Аналоговый мир встречает.
И к нему у нас требования по частотам в 32 раза выше.
И вроде бы ничего страшного для звука. КТ315 250 Мегагерц могет. А я к нему тут с какими-то 640 кГц пристал.
Да они ему как орешки Крокодилу. Щелкает вместе со скорлупой. Даже Грецкие.
Но тут бы все так. Но что делать если Нейросеть на уме, а процессоры на 4 ГГц и ученые говорят, что это физический предел текущих технологий. Тактовой выше не будет.
А Нейросети сколько ни дай а... А может ее Аналоговой сделать? В 32 раза шустрее ведь!!!
На нынешнем-то этапе развития о точности работы Нейросетей - им какая разница???
Ну будет у нее Аналоговая Погрешность вместо Цифровой. А что поменяется-то?
В общем-то я ничего нового сейчас не говорю. Переход приблизительных вычислений в Аналоговое Поле он уже лет 20 как существует. Звать его Xmos-технология.
Там ведь как. Вот подвеска в автомобиле для 3д симулятора гоночек. Ну или симулятор прыжка мячика в футбике.
Там ведь как? Там колебание. У него есть формула. Так вот для колебания электрического тока такая же формула. Разница только в том, что в одной коэффциент упругости, а в другой индуктивность.
А значит для симулятора-то мы точно можем выдать на ЦАП сигнал, собрать колебательный контур, на второй его стороне АЦП поставить.
И вот нам быстрый расчет. Симуляция процесса прыгающей подвески и ее затухания.
Только вместо математики, которая к тому же еще и не в один такт проходит, тут просто в колебательный контур. 2 детали делают то, что в Цифре делает 10 тысяч транзисторов.
В общем вот вам платки. Ну рендеры конечно.
Но давайте разбираться как они работают.
Ведь в заголовке заявлено тааааакое!!!!
Прям ведь сказка для начала 80х. И экономия ленты в 4 раза. И качество звука, недостижимое для Вильмы, из Аппарата Третьего класса.
И ведь что-то в подсознании говорит ясно и четко, что для Меломанов тех лет - это ведь прям мечта!!! Вот была бы эта схема тогда.
Ну что? Готовы разобраться как это все работает?
И что такое МП3, и как его сделать Аналоговым? И как из 1 см в сек выжать 30 - 18 кГц?
Ну тогда поехали!!!
1. Кодер
Да ладно??? ДОбрый??? Как???
В МП3 же сжатие более ресурсоемкий процесс, нежели декодирование???
У тебя почему плата Кодера мелкая, а декодер размером со слона???
Ну вот прикол. В цифре да. Сжатие дольше. А вот в Аналоге...
Тут другие правила.
Давайте разбираться.
Так уж вышло, что ученые слух человека исследовали уже на компах.
И уже на компах вывели психо-акустичекую модель его.
И поэтому МП3 получился в мире компов. А в Аналоге у нас только Компандерные сжатия.
Суть модели такая.
Есть в ушах человека 30 полос. Их назвали Моды.
Так вот в каждой моде есть 2 правила.
1. Громкие звуки в пределах одной моды глушат все другие частоты.
2. Более низкие частоты в пределах одной моды глушат все другие частоты даже если они на одной громкости.
В общем в МП3 это применяют просто. Делят спектр на 30 полос. И просто замеряют уровень громкости в полосе. Просто как индикатор стрелочный для магнитофона.
Тем более, что полос не так уж и много. 24х дорожечные магнитофоны уже тогда во всю выпускали. А тут 30 всего. Проблем-то нет с таким количеством.
Но дальше еще интереснее.
Ведь звук по амплитуде меняется не так уж и быстро. Да и человеческий слух изменение амплитуды не так уж быстро воспринимает.
В общем 330 выборок.
Давайте перепроверим. 30 умножаем на 330 да на 16 бит, да на 2 канала = 320 килобит.
Цифры сошлись. Вот он наш крутой МП3 высокого качества, что от ЦД диска не отличить на слух.
***
Теперь нам нужен телевизор. Старый. Кинескопный.
Там есть 2 эффекта нужных нам сейчас.
1. Каждый пиксель передается в свою единицу времени, и при том амплитуда его передается аналогово.
Т.е. у нас вроде как есть частота дискретизации, но нет 16 бит оцифровки амплитуды.
Это дело называется АИМ. Амплитудно-Импусльная Модуляция.
А наша Цифровая она ИКМ - Импусльно-Кодовая. Или PCM. Суть та же, только по-Английски Pulse-Code Modulation.
Но нам сейчас АИМ и нужен. Мы тогда можем выкинуть 16 бит. А значит наши 30 на 330 начнут требовать 10 кГц по частоте на ленте кассетника.
2. Но не все так просто.
Ведь 10 тыщ выборок - это еще не Килогерцы по Синусу. Ведь у него и в плюс и в минус. А значит можно еще на 2 поделить.
В телеках тоже так сделано. Для экономии частотных полос.
А значит нам нужно 5 кГц на ленте.
А это уже может и кассетник 3го класса на 2й скорости.
Но нам то нужна Первая.
Где еще урезать?
Ну моды можно почикать. Отрезать в басу 2 моды, чтобы 30 Гц вышло, и на ВЧ 4 моды, чтобы 18 кГц.
Ну и выборок можно до 250 убавить.
Получим МП3 уровня 225 килобит.
Вещательный стандарт для ТВ эфира кстати.
А по килогерцам на ленте выйдет где-то 2500 Гц. Вполне пропишется на 1й скорости в кассетнике 3го класса.
***
Но что там на счет размера платы?
Ведь в аналоговом мире все просто. 30 полос. Да логические микросхемы, что десятичные счетчики. У них позиционный выход. Просто с ноги на ногу сигнал переходит. То первая нога, то вторая, то третья. Далее транзисторы коммутации, и все. Погнали на запись.
Ну вернее как.
Мы все знаем, что у фильтров есть фазовый сдвиг.
И он есть проблема.
Дело в том, что 440 Гц одной ноты могут пробежать в более высокочастной полосе, где конденсаторы с меньшим номиналом раньше, чем в своей полосе.
Т.е. будет тише, но раньше, чем основной звук пойдет.
Это дело назвали Звон. Он бывает как Пред-Звон так и Пост-Звон. Когда проходит наоборот через басовый фильтр.
Но в случае МП3 и в случае вообще Аналоговых фильтров в Звуковом диапазоне кроме небольшого Звона это никакой большей проблемой не вылезает.
Другое дело скользящие фильтры в цифре.
Есть иНЖЕНРЫ что верят в Идеальную Цифру.
Так вот это не так.
Дело в том, что скользящие фильтры работают так.
У вас есть 44 тыщи выборок.
Вам нужно сделать фильтр по верхам. Скажем на 19 кГц.
Вы берете и суммируете выборки по 100 штук. Делаете средене арифметическое.
Т.е. 1 - 100 выборка, 2-101, 3 - 102, 4-103 и тд дадут вам новые 44 тыщи выборок, в которых будет отфильтрован верх.
При этом такой фильтр даст вам не сильную задержку.
Но вот когда дело коснется баса. Вам уже нужно будет просуммировать 40 тыщ выборок, чтобы на 20 Гц работать.
И тут задержка будет в целую секунду или около нее.
Т.е. в Аналоговом мире там какой-то мелкий звон.
А тут у вас - эхо. Причем Матерое ЭХО!!!
Мы все слышали это это в мобильном телефоне. Оно на самом деле по вине этих фильтров.
Сейчас не будем разбираться подробнее почему оно там.
Давайте разберемся как это дело фильтруют.
***
БПФ - быстрое преобразование Фурье.
Тут надо сказать, что существует еще Дискретное.
Но по факту они дают одинаковую точность.
Есть фанаты заявляющие, что ДПФ точнее.
Неа.
Обратная свертка, что БПФ, что ДПФ дает КНИ в 10 процентов.
Это когда уже похрипывает, но еще не сильно. Но починить уже явно пора.
БПФ и ДПФ не пригодны для работы со звуком. Даже на уровне МП3.
Я не буду сейчас ДПФ разбирать.
Давайте другое выясним.
Что вообще дает БПФ?
Вот есть у вас 44 тыщи выборок. Вы их в него.
На выходе у вас будет 88 тыщ выборок.
Вернее 2 пакета по 44 тыщи.
В одном будут амплитуды частот. А в другом фазы.
Да да. МП3 напрочь игнорит фазы сигналов. Это уже для фанатов важности фазовых параметров в усилителе с колонками.
МП3 знать ничего про фазы не знает. Напрочь их игнорируя.
При этом БПФ нам дает интересный шаг отчета по амплитудам - 0.5 Гц. Пол-Герца.
Но вот только за целую секунду.
А что же делать, если нужно 1/300 сек отрабатывать?
А тогда вы ему даете не 44 тыщи а в 300 раз меньше.
И получаете шаг частотного отчета в 150 Гц.
Я точно сейчас считать не могу. Переутомление. И да простит меня читатель.
Но суть такая. Вы получите спектроанализатор на кучу полос с шагом в 150 Гц.
Никакой Второй Гармоники от 20 Гц вам не светит. Да и от 50 Гц тоже. Не покажет.
Не на этой скорости отчетов.
Но как же его тогда применяют?
А просто. Если вы на флейте играете у вас гармоник мало. Да и чего гармоники. Вы ноту всего одну в единицу времени берете.
Саксофон так же. Одна нота за раз.
А вот гитара. 6 нот разом могет.
А если рояль? Да хоть ляг на него!!!
Но давайте бузить не будем. 10 нот. Медлячок. Одновременно Бахнули и пауза. Драматическая.
И вот наши фильтры. Что там будет?
Правильно. Получите в быстром ритме перебор нот по очереди.
Вместо медлячка. На лицо нарушение ритмических характеристик произведения.
В общем БПФ используется исключительно для контроля. У него по частотам и КНИ все плохо. А вот по времени все четко.
А потому если на выходе фильтров у вас что-то есть. А на БПФ этого нет - то просто то, чего нет - оно отфильтровывается.
***
Но в Аналоговом-то мире у нас этих проблем нет!!!
Мы быстренько полосы опросили, их амплитуды на ленту записали и все. Дальше декодер.
***
2. Декодер МП3
В цифре там все просто.
Пришли амплитуды по 30 модам. Дальше 30 синусов куда в качестве коэффициента амплитуды эти значения.
И все.
Разве, что в металле это все равно навороченная схема.
И там нужен проц ровня 486го на 120 мГц. На 100 не тянул. А вот на 120 вроде вывозил.
Но что у нас в Аналоговой Плате?
А так же в целом-то. Алгоритм тот же.
Только реализация другая.
У нас тут те же микросхемы позиционные-десятичные счетчики.
Только в этот раз они переключают входящую амплитуду с ленты на ячейки памяти.
Ячейки аналоговые. Просто Конденсаторы.
Их тут 2 группы по 30 штук.
В одну сначала набирается 30 мод. Потом они выходят на 30 генераторов Синусов в роли регулятора громкости.
При этом тут все на транзисторах.
Пока сигнал 1/300ю секунды стоит, вторая группа ячеек памяти заряжается.
Дальше происходит переключение ячеек, смена громкостей амлитуд.
И тут же сигнал очистки первой группы. Разряд на землю. Ну и последующая ее зарядка.
Далее снова переключение. Очистка и зарядка.
У меня и за очистку и за коммутацию отвечают кт315.
***
3. ЭКОНОМИКА
Я нашел что кт315 в 1982м году 20 копеек стоил.
У меня платы вышли 10 рублей за кодировщик и 40 за декодер. На один канал.
Т.е. в сумме 100 рублей.
При этом кассетник Электроника 311 стоил 288 рублей. Яуза 220 - 460. Вильма 102 - 625.
Кассета на 90 минут 8 рублей.
Т.е. при покупке 14 кассет выходило 100 рублей.
14 кассет давали 28 альбомов в коллекции.
А тут выходит 114 альбомов.
Т.е. получается, что у нас 100 рублей за кассеты плюс 100 рублей за схему = 400 рублей по объему хранимых записей.
Или же схема отбивает деньги в 2х кратном объеме. При 200 рублей инвестиций она экономит еще 200.
Мало того, качество звука уровня Вильмы, а то и выше.
Ведь и по верхам все хорошо, и детонации нет, и по шумам тишина.
А это ведь тоже выходит что 288 рублей + 100 рулей(400 рублей) выдает результат на 600 рублей.
Т.е. она еще и тут 200 рублей отпахивает.
Т.е. получается что при затратах на 500 рублей(магнитофон, декодер, 14 кассет) система пашет на 900.
Но что на счет цифры в те года?
А там выходило, что нужно 60 компов с тактовой по 6 мГц и ценой в 1000 рублей за каждый.
Т.е. 60 тыщ рублей против 100.
В 600 раз по цифре выигрыш по деньгам, и в 2 раза по аналогу. Ну вернее как в 2. В 400 рублей. Это немножко иная величина.
Тем боле, что кассет вы можете купить еще 14 штучек, и там уже чистоганом будет 300 рублей отпахано. А если еще 14 кассет купите....
Там уже на 700 рублей вложений будет 1500 на выходе. А на 800 рублей уже 1800. А на 900 - 2100. На тыщу - 2500 отработает.
Но в это в 1982м.
А как на счет 2000го года?
А тут у нас уже наша схема тыщу рублей стоит. А комп который все это тянет 30 тыщ рублей.
И тут уже разница в 30 раз.
Сегодня конечно еще 20 лет спустя ситуация несколько изменилась. И наша плата стоит те же 1000 рублей.
А вот цифровое решение нам за 100 предлагают.
***
Но вот, что касается Нейросетей... То ускорение в 32 раза... И при том по ценам тут тоже есть о чем поговорить.
Главное Лампами не увлекайтесь.
А то предъявят Хейтеры, что у вас Нейронка Аналоговая так еще и на Пальчиковых Пентодах. И потому Нормальную Речь не понимает. Только на распальцовке шарит....
***
А у меня на сегодня все. Я пошел!!!
Спасибо, что дочитали!!!