HI-Res аудио - формати с висока разделителна способност DSD и DXD (митове)

Hi-Res Audio (съкратено HRA) - музикални файлове, които осигуряват най-висококачествен цифров звук. Сравнявайки формата, свързан с HI-Res аудио с mp3, можете да забележите поразителна разлика в качеството на звука. Hi-Res Audio е намаление над качеството на звука на компактдисковете (CD, DVD) и дори много висококачествени компресирани цифрови формати. Hi-Res Audio се счита за стандарт за качество в цифровото аудио.

Приблизително сравнение на формат:

Нека обсъдим процесите, които се случват при възпроизвеждане на медии и формати с висока разделителна способност - HI-Res: SACD (SuperAudioCD), DVD-Audio, DSD и DXD формати.

В предишна статия на HI-FI вече разгледахме митове, свързани с качеството на звука на магнетофоните, виниловия, лампови усилватели и CD формат. Време е да обърнете внимание на безкомпромисните звукови формати на съвременния HI-FI. Веднага ще уверя читателите, че ще има по-малко критики, отколкото в предишната статия и това не се отнася до качеството на звука, а повече до техническите проблеми.

Предупреждавам ви, че статията е написана за най-любопитните читатели, за неподготвен читател (но любопитен) препоръчвам да се обърнете към Wikipedia като необходимо. За по-малко любопитни читатели препоръчвам да прочетат само „митове” и заключения..

1. Първият формат с висока разделителна способност (HI-Res) е SACD носител;
2. Каква е разликата между кодова модулация на плътност на PCM (PDM) и модулация на импулсен код на PCM (PCM)?
3. Мит номер 1 - Серийният DAC (ADC) е по-добър от паралелен;
4. От цифров към аналогов;
5. Заключение 1. Основният плюс на "паралелния" ADC (DAC);
6. Логиката на "серийния" ADC (DAC);
7. Заключение 2. Основният плюс на "серийния" ADC (DAC);
8. Мит номер 2 - ЦАП (ADC) използват чисто паралелни или серийни преобразуватели;
9. Мит номер 3 - 32-битовите DAC (ADC) са по-добри по качество спрямо 24-битовите;
10. Мит номер 4. Моят играч има нисък (висок) трептене;

Вижте също:

• Динамичният диапазон на всички цифрови формати, включително DSD - митове и реалност
• Звукът от Hi-Fi, митове и реалност - еволюцията и развитието на звука
• Разликата в качеството между mp3 и FLAC е 192Kbps или 320Kbps?

1. Първият формат с висока разделителна способност (HI-Res) е SACD носител

Нека започнем с първия от форматите с висока разделителна способност (HI-Res) - SACD носители. Самата медия не ни интересува; тя е подобна на DVD по отношение на капацитет и физическа структура; форматът за съхранение на аудио информация DSD представлява интерес..

Информацията в този формат се различава от всички други формати по метода на кодиране и използва „Модулация на плътност на импулса“ (PDM), за разлика от PCM (модулация на импулсно кодиране), използвана обикновено при аудио кодиране.

1.1 Какво означават всички тези трансформации??

За представяне на цифров звук най-често се използва импулсна кодова модулация, при която оригиналният аналогов сигнал се преобразува от АЦП (Analog to Digital Converter) или ADC (Analog to Digital Converter) към сериен поток от цифри. Той прави това строго в съответствие с дадена честота на квантоване (за CD честотата на квантоване е 44100 Hz) - именно с тази честота ADC измерва амплитудата (интензитета) на звуковата вълна и кодира резултата от измерването с цифра.

Това се случва в съответствие с капацитета на ADC (вторият важен показател за качеството на ADC), в диапазона от 0 до 65535 за 16-битов АЦП, в диапазона от 0 до 16,7 милиона за 24-битов и от 0 до 4 милиарда за 32-битов АЦП.

Тук е очевидно, че дори малко увеличение на битовата дълбочина (бит) на ADC води до рязко (експоненциално) повишаване на качеството и точността на аудио кодирането.

Обратният процес на преобразуване се осъществява с помощта на DAC (Digital to Analog Converter) или DAC (Digital to Analog Converter) - последователен поток от цифри с дадена честота на квантоване се преобразува в стойността на звуковото налягане. Естествено, колкото по-голяма е битовата дълбочина на цифровия аудио при наличието на съответното преобразуване, толкова по-точно аналоговият сигнал се възстановява и качеството на звука е по-високо.

2. Каква е разликата между кодова модулация на плътност на PCM (PDM) и модулация на импулсен код на PCM (PCM)?

Прегледахме PCM импулсна кодова модулация (PCM). Това превръща аудио в CD, DVD-аудио, DXD. Каква е разликата между модулацията на кодовата плътност на PCM (PDM)? от Pulse Code Modulation PCM (PCM)?.

Разлики в метода за преобразуване на аналогов сигнал и обратно цифрово в аналогов, в цифров метод за съхранение на информация.

Съхраняването на информация за звук няма значение. Отбелязваме само, че за съхраняване на аудио в SACD (DSD) се използва битов поток, а не многобитови цифри в диапазона от 0 до 1, т.е. двоичен сигнал. Важното е как аналоговият се преобразува в цифров и обратно..

От този момент започват объркване и митове 🙂 Факт е, че има „серийни“ и „паралелни“ аналого-цифрови (цифрово-аналогови) преобразуватели.

3. Мит № 1 - Серийният ЦАП (ADC) е по-добър от успоредния

Мит №1 - Качественото високочестотно кодиране е по-добро от многобитовото...

За да разберем горното, считаме логиката на "паралелните" и "серийните" преобразуватели. Нека започнем с дигитализирането на аналоговия сигнал - логиката на ADC.

И така, паралелният ADC „измерва“ аналоговия сигнал и го преобразува в цифров.

3.1 Как се осъществява аналогово-цифровата конверсия?

На входа на ADC има схема на „сравнител“, чийто смисъл е следният - за сравняване на референтния сигнал (например 1 волт, но първоначалното напрежение обикновено се приема равно на половината от максималната стойност на измерения сигнал) с входящия измерен.

Ако измереният сигнал е по-малък от референтната верига, той генерира логичен сигнал „минус“ (логически 0), а ако е повече от „плюс“ (логически 1). В съответствие с този логически сигнал стойността на референтното напрежение се променя - или се удвоява, или се удвоява от предходната стойност, в зависимост от това дали измереният сигнал е по-голям или по-малък от референтния. В същото време цифровата цифра се съхранява в цифровия регистър (първоначално равна на половината от измерения диапазон) и се разделя или умножава по 2 въз основа на сравнението на референтния сигнал с измерения сигнал от сравнителя.

Тогава измерването става отново и така нататък от най-брутното измерване до най-„финото“, с всяка стъпка стойността на еталонното напрежение постепенно ще се доближи до измерената стойност. Броят, съхраняван в регистъра, също ще бъде „прецизиран“ последователно - от най-високите цифри („груби“ стойности) до най-ниските („точните“ стойности).

Броят на измерванията е равен на капацитета на веригата ADC, например за 16-битова ще има 16 измервания-сравнения-стъпки. Това е така нареченият „метод на последователно приближение“. Тази логика е добра, тъй като броят на измерванията за висока точност е малък и равен на битова дълбочина. По този начин:

• За да измерите сигнала с точност от 0 до 65535, не са ви необходими 65535 стъпки, а само 16.
• Необходими са само 24 стъпки за измерване с точност от 0 до 16,7 милиона.

За веригата ADC по този начин могат да се използват сравнително нискочестотни компоненти, това опростява, намалява цената на веригата, увеличава нейната точност (поради по-малката промяна в параметрите на компонентите).

4. От цифров към аналогов

Обратното преобразуване от цифров в аналогов сигнал (DAC) е по-лесно. Имаме успореден набор от микросхеми, в които броят на пиновете е равен на битовата дълбочина на преобразувания сигнал. Всеки бит все още е цифров сигнал, има една и съща стойност (напрежение). Сигналът все още е паралелно-цифров. Тогава към всеки терминал е свързана верига „R-2R“ (съпротивление или резистор) и по този начин най-високото изходно напрежение съответства на най-високото ниво и най-ниското. В резултат на това комбинацията от значителни битове, преминали през веригата "R-2R", се смесва в един аналогов сигнал. В края е високочестотен филтър. Това е всичко =)

5. Заключение 1. Основният плюс на "паралелния" ADC (DAC)

Работи със сравнително ниска честота, като по този начин постига висока точност. Въпросът е, че всички честоти се формират от свръхвисоката честота на кварцовия резонатор, която след това се разделя на вериги „разделител“, до по-ниската честота на цифровата верига. Заедно с разделянето на свръхвисоката честота се получава разделяне (намаляване) на грешката (отклонение) на честотата от теоретичната. Колкото по-висок е коефициентът на деление и по-ниска е крайната честота, толкова по-точна е изходната честота.

Съответно нискочестотните компоненти и вериги са по-точни от високочестотните..

6. Логиката на "серийния" ADC (DAC)

В сериен ADC вече имаме сравнител, който сравнява референтния сигнал (референтния) с измерения. Следват разликите в логиката на работа.

Цифровият регистър (буферна памет) съхранява цифра, равна на стойността на референтния сигнал. След следващото измерване на аналоговия сигнал от сравнителя той извежда числото 1, ако измерването е над стандартното и 0, ако е по-ниско. Тогава референтният сигнал става не 2 пъти по-висок или по-нисък сигнал, но с една единица по-голям или по-малък. В същото време в паметта се записва не цифра, равна на стандартната, а бит 1, ако измерването е било повече или 0, ако е по-малко.

Всъщност ние имаме по-проста серийна логика (и верига) на ADC, в сравнение с паралелната.

Вместо последователно приближаване тук се използва фиксиране (запис) на сближаване стъпка по стъпка. За да измерим диапазон от 16 бита от 0 до 65535, ще ни трябват 65535 стъпки (а не 16). Съответно за 24-битово преобразуване ще ни трябват 16,7 милиона стъпки. На изхода на такъв ADC се записва последователен битов поток, в който аналоговата стойност на интензивността на звуковата вълна е равна на „плътността“ на потока от единици и нули. Ако има повече единици, то напрежението (интензитетът) е по-високо, а ако нулите са по-ниски. Всичко е много просто.

6.1 Обратно цифрово-аналогово преобразуване, последователно

Обратното цифрово-аналогово преобразуване (DAC) също е просто. На изхода на еднобитов цифров сигнал има капацитет (кондензатор), който се зарежда от нули и такива, с различна стойност, в зависимост от плътността на нули и такива. В края след капацитета е високочестотен филтър и аналогов изход.

7. Заключение 2. Основният плюс на "серийния" ADC (DAC)

Той използва по-проста схема с по-малко компоненти. Стойностите за неточност във всички компоненти на аналоговия път се натрупват в една обща голяма грешка. Колкото по-малко са компонентите в аналоговата верига, толкова по-точен е ADC (DAC) и по-добър звук.

8. Мит № 2 - в ЦАП (ADC) се използват чисто паралелни или серийни преобразуватели

Внимателен читател отбеляза, че има противоречие в изводите 1 и 2 =). В действителност всичко е по-прозаично. На практика се използва комбинация от тези методи.. Целият амплитуден диапазон на аналоговия сигнал се разделя на поддиапазони (паралелна обработка) и след това се подлага на последователно кодиране. Такива „хибридни“ КПР (ADC) са най-разпространени.

Когато играете на SACD, всъщност се използва напълно последователен едно битов ЦАП. Но както вече разбрахме, този плюс противоречи на високата честота на DAC веригата =). Когато говорим за високото качество на SACD, това означава по-високото му качество в сравнение с CD.

9. Мит № 3 - 32-битовите DAC (ADC) превъзхождат 24-битовите

Реалността, както винаги, силно ни приземява от теоретични максимуми към земята.

Най-често няма истински ЦАП, работещи с 32-битова точност в домакинското (дори HI-FI) звуково възпроизвеждащо оборудване =). Обикновено всичко е ограничено до 24 бита. Но бързам да успокоя читателите, че в звукозаписните студия капацитетът за цифровизация на сигнала рядко надвишава 24 бита, а ако не и повече от това. Полето в битовата дълбочина (точност) на аудио е необходимо за редактиране на цифрово съдържание, тъй като по време на редактирането се натрупват така наречените грешки в редактирането. Вече споменахме това в предишен преглед..

Нека разгледаме още един, последният мит и спекулации по тази тема..

10. Мит номер 4. В моя плейър ниско (високо) трептене

Времената, свързани с високото цифрово трептене, датират от 90-те и началото на 00-те. Когато микросхемите все още не бяха толкова „големи” по сложност на схемите, производителите спестиха всичко. Тогава имаше разлика.

В този момент серийният ЦАП за SACD имаше предимство пред паралелния DAC = нисък разход =). Но в онези дни дори имаше DAC за CD, с капацитет на бита по-малък от 16 бита =). Сега тези недостатъци се намират само в най-евтиното оборудване, което няма нищо общо с HI-FI. Въпреки че ... това все още се намира в смартфоните =).

Така че, ако харесвате музика, по-добре вземете висококачествен плейър за това =)

• ТОП 15 най-добри играчи;
• ТОП 15 най-добри звукови карти;
• ТОП 15 най-добри слушалки;

С уважение, Андрей Тепляков.