для чего нужен цифровой фильтр в цап
Реcемплинг II. Сравнение работы цифровых и аналоговых фильтров высоких порядков в тракте звука и ответы на вопросы
Внимание — эта публикация является уточнением первой части статьи и ответом на вопросы из комментариев к ней. Для понимания о чём в ней идёт речь, необходимо ознакомиться с предыдущей если вы этого ещё это не сделали. 
Среди многочисленных комментариев к моей последней статье были два очень характерных вопроса — от группы людей, которых я условно могу отнести к категории “практиков”, и человека, который, возможно сам того не желая, озвучил позицию близкою многим аудиофилам.
Мне стало ясно, что далеко не всем понятны объяснения, основанные на теории спектрального разложения сигнала и дальнейшей манипуляцией с гармониками. Ниже я сделал попытку осветить отдельные вопросы из предыдущей статьи ещё более наглядно.
Итак, под катом рассмотрим две темы:
Попробую раскрыть обе эти заслуживающие внимания темы как можно более доступным языком.
Почему цифровые фильтры в трактах обработки звука не всегда зло
Т.е. в апгрейде мы всего лишь:
1. Поставили более дорогой ЦАП (с повышенной частотой дискретизации и разрядностью)
2. За счет придумывания(интерполирования) отсутствующих семплов на шкале времени CD — увеличили кол-во воспроизводимых семплов.
Верно?
Тогда, внимание, вопрос:
1. А действительно ли мы улучшили качество звука, добавив семплы, которые в оригинале (живом звуке) могли отличаться от тех, которые мы придумали(интерполировали)? Ведь, то что мы записали с частотой 44.1 КГц — было реально зафиксировано микрофоном, а то что было между записанными семплами нам не известно.
2. На сколько далеко наша фантазия (прошу прощения, интерполяция 🙂 может нас завести? Т.е. теоретически, мы можем интерполировать и 8битный звук и 4х…
3. И о каком таком повышении качества мы говорим?
Для человека средний порог частоты воспринимаемого звука 20 кГц, мы воспроизводим с частотой 44.1 КГц — есть ли смысл в дальнейшем увеличении. Повышение точности воспроизведения на 2 разряда — единственное, что имеет отношение к реальному улучшению качества, хорошо, а кто-нибудь знает сколько разрядов может различать человеческое ухо? 😉
Да, теорема Найквиста верна, но если даже по двум точкам можно восстановить частоту периодического что немаловажно сигнала, то это не значит что это с успехом может сделать DAC, особенно без применения фильтров! Тем более это касается сложного сигнала, представляющего из себя суперпозицию большого числа гармоник, порой резко появляющихся и исчезающих или меняющих тон.
Для того, чтобы проникнуть в суть проблемы необходимо понять следующее — совершив акт операции оцифровки мы тем самым невозвратно исказили сигнал. Даже если использовали идеальный микрофон, усилитель и аналого-цифровой преобразователь.
Давайте для наглядности перейдём от теории к практике и изобразим форму исходного сигнала на фоне сигнала, выходящего с идеального DAC.
Напомню, что DAC или по русски ЦАП через равные промежутки времени извлекает оцифрованное значение и фиксирует его на своём выходе. В результате мы получаем ступенчатый сигнал. На нашем рисунке минимальный шаг по вертикали и горизонтали равен одной клеточке. За ширину ступенек отвечает частота оцифровки, а дискретность по вертикали определяется разрядностью АЦП. Как от неё зависит качество оцифрованных сигналов видно на примере оцифровки второго бита. Реальное значение лежит практически посередине между двумя допустимыми целочисленными значениями, которое может присвоить сэмплу АЦП. Оно выбрало нижнее, и мы получили весьма большую ошибку. Надеюсь, теперь всем понятно почему даже в идеальном АЦП младший разряд нельзя считать значащим.
Посмотрим что же делает наша микросхема от SONY. Она в увеличила частоту сэмплирования в 4 раза. Мало того, она ещё и по вертикали добавила разрешения за счёт того, что увеличила разрядность сигнала с 16 до 18 бит. Далее, с помощью фильтра производится аппроксимация сигнала и вставляются три промежуточные точки, причём точность их установки выше как по горизонтали так и по вертикали в 4 раза, чем до сделанных преобразований. Аккуратной расстановкой этих точек занимается фильтр. Чем выше его порядок, тем качественнее он производит аппроксимацию.
Однако, после выполнения этих операций мы всё равно имеем ступенчатую структуру, не изображённую на рисунке — вместо них я изобразил жирные точки на трёх первых сэмплах. И тут уже в дело вступает простейший фильтр низкой частоты второго-третьего порядка, который сглаживает эти ступеньки. Результат показан ниже:
Здесь карандашная кривая — исходный сигнал.
Красная кривая — сигнал на выходе 16 битного ЦАПа.
Зелёный участок кривой — то что мы получили после операции ресемплинга и последующего применения простейшего фильтра.
Надеюсь, что FreeMind2000 и его сторонники согласятся, что “чистый неискажённый ступенчатый звук с выхода ЦАП” выглядит меньше похожим на оригинал, чем исковерканный цифровыми извращениями?
Замечу, что первое слева колебание имеет основную гармонику где-то в районе 44/7=6 килогерц, при этом на вид весьма сильно искажается при оцифровке с частотой 44 КГц. Представляете насколько будет похожим на оригинал сигнал с частотой в 17 килогерц?
Тут важно отметить то, что цифровые фильтры при желании могут не тронуть опорных точек полученных с 16 битного ЦАП — лишь расставить между ними вспомогательные, сглаживая кривую по своему усмотрению.
В силу ряда причин, это невозможно сделать применяя вместо цифры аналоговые фильтры высоких порядков. Тут кстати самое время перейти к вопросу вернее утверждению, высказанному AntonSor и горячо поддержанному dernuss
Почему аналоговые фильтры высокого порядка сложно реализовать в серийных устройствах
Для того, чтобы обрезать все, что лежит за границами звукового диапазона (20 кГц) и получить затухание под 40 дБ на 44 кГц, да с ровной фазовой характеристикой, требуется (с ровной — это фильтр Баттерворта) фильтр 7 порядка, это три операционных усилителя и по 10 5%-е резисторов и конденсаторов на канал. Да, громоздко, но не невозможно. Два счетверенных операционных усилителя типа TL074. В любительском приемнике прямого преобразования бывает больше (в фазовращателе).
Чтобы не заниматься все праздники ликбезом, я лишь вскользь упомяну, что качественные фильтры высокого порядка невозможно построить на операционных усилителях общего применения, к которым относятся TL074 от TI.
Совсем немаловажно, что аналоговые фильтры низкой частоты высоких порядков порождают серьёзные фазовые искажения, особенно в районе частоты среза. Доказывать эту общеизвестную истину чередой длинных формул нашим глубокоуважаемым товарищам я также не стану, лишь приведу картинку из одной моей прошлой статьи, которая показывает как жестого фазовые искажения обходятся с формой сигнала.
А в заключении по просьбе трудящихся остановлюсь на причине, по которой без точно подобранных номиналов деталей, фильтры высокого порядка не будут давать красивых идеальных расчетных характиристик, как на нижеприведённой нормированной по частоте зависимости ослабления сигнала от порядка фильтра Баттерфорта в логарифмических координатах.
Для того, чтобы построить фильтр, приближающийся по этому параметру к цифровому, описанному в прошлой статье, необходим восьмой — десятый порядок.
Ниже показаны передаточная функция идеального ФНЧ и фильтров Баттерфорта разных порядков.
Каким образом обычно строятся подобные фильтры? Очень просто — берётся ФНЧ второго порядка построенный, например, по приведённой ниже схеме…
Отлично, давайте посмотрим на график, который показывает как меняются параметры фильтра Баттерворта второго порядка обратите внимание что по горизонтали отложен линейный масштаб от разброса номиналов компонентов в цепи обратной связи.
А теперь представим себе суперпозицию передаточных характеристик нескольких таких звеньев с разными частотами среза, обусловленных разбросом компонентов.
Нетрудно догадаться, что мы не получим в результате эффекта повышения крутизны фильтра в зависимости от порядка. В дополнение мы породим лишние горбы на характеристике, которые станут причиной интермодуляционных искажений.
На самом деле ситуация ещё хуже потому, что разброс влияет не только на частоту среза, но и на другие параметры каждого из звеньев. Полученный в результате отфильтрованный звук в исполнении рака, лебедя и щуки возможно годится по качеству для динамика на выходе регенеративного приёмника, но попытка применить его в высококачественном DAC ничего кроме нездорового смеха у потенциальных покупателей не вызовет.
Вместо послесловия
в ЛабВью аудиотракт с генератором сигнала, ацп, цапом и ресэмплером
Сигнал на выходе ЦАП с частотой 0.45 от частоты дискретизации. Хорошо просматриваются «нулевые биения» 
Тот же сигнал, прошедший ресемплинг и цифровой фильтр десятого порядка
Семь цифровых «картриджей» Audiolab
Вам наверняка доводилось слышать рекомендации по различным головкам для виниловых проигрывателей: мол, эта достаточно универсальна, а эта особенно хороша для старых джазовых изданий… Что-то подобное неминуемо должно было появиться и в «эпоху цифрового аудио».
Что такое «цифровой фильтр» и для чего его ставят в ЦАП?
Преобразование потока цифровых аудиоданных (нулей и единиц) в непрерывный музыкальный сигнал — дело деликатное. Каждый цифровой отсчет должен быть преобразован в определенный уровень напряжения с высокой точностью, а ошибки в этом процессе заметно ухудшают звучание, делая его чересчур резким или, наоборот, размытым или окрашенным.
К несчастью человеческое ухо очень восприимчиво к искажениям и шумам квантования в аудиосистемах. Когда звуковой сигнал восстановлен из цифровых данных, гармонические искажения присутствуют в широком спектре, как в четных, так и нечетных обертонах.
Теоретически можно подавать на ЦАП отсчеты прямо при считывании. Однако при этом многократно возрастают требования к аналоговому фильтру, который должен быть столь крутым, чтобы как ножом отрезать цифровой шум за пределами слышимого спектра. Но аналоговые крутые фильтры высоких порядков катастрофически искажают фазовую характеристику, поэтому в звучании пропадает ощущение глубины сцены, снижается детальность, падает уровень высоких частот. Кроме того, точность исполнения аналоговых фильтров всегда ограничена допусками на производство радиоэлементов.
ЦАП Audiolab M-DAC оснащен 32-битным конвертером ESS Sabre 9018 и поддерживает передачу аудио в режиме ASIO
Выручают точные и стабильные по своей сути так называемые цифровые фильтры из нескольких FIR-звеньев (Finite Impulse Response или КИХ – конечная импульсная характеристика). Обычно каждое звено удваивает частоту выборки. Промежуточные отсчеты вычисляются в реальном времени и должны быть завершены в течение одного периода дискретизации! Отсюда повышенные требования к процессору, к его быстродействию и точности. И все же в вычислениях может накапливаться ошибка при последовательном округлении промежуточных данных.
В поисках идеала
Не секрет, что слушатели могут иметь и имеют (!) различные предпочтения в звучании и в музыке. Мы уже упоминали, ситуацию с выбором головок звукоснимателей для разных музыкальных жанров. Так и здесь – часто «стандартный» цифровой фильтр может не удовлетворять конкретного слушателя. И здесь пора вернуться к разработке Audiolab.
ЦАП Audiolab M-DAC, вид сзади (коммутационная панель). Помимо аналоговых XLR и RCA выходов, вы можете вывести и цифровой сигнал — предварительно очищенный от джиттера. Также имеется выход цифровой синхронизации с другими компонентами
Итак, идеального фильтра не существует — что-то лечим, что-то калечим — либо фазу, либо линейность. Существует несколько алгоритмов подготовки цифрового потока. Цифро-аналоговые преобразователи Audiolab M-DAC и Q-DAC предлагают целых семь вариантов фильтрации! А дальше вы сами определитесь — какой считать универсальным, а какой хорош для жанровых фонограмм. По времени отклика (rise time) фильтры условно можно объединить в три группы:
Slow (медленные)
1) Optimal transient
2) Optimal transient XD
3) Optimal transient DD
Medium (средней скорости)
4) Slow roll off
Fast (быстрые)
5) Sharp roll off
7) Optimal Spectrum
Оптимальный переход
Audiolab акцентирует внимание на фильтре Optimal Transient (оптимальная переходная характеристика импульса) и его подварианты XD и DD. Главная особенность группы Slow заключается в устранении паразитных колебаний перед фронтами импульса. Формально с точки зрения базовых технических замеров при активации Optimal Transient параметры сигнала немного ухудшаются. Спад кривой получается очень пологим, остается «цифровой мусор». Тем не менее после Optimal Transient саунд субъективно воспринимается на слух как наиболее реалистичный, мягкий на высоких частотах и по-настоящему вовлекающий. Что говорят слушатели?
ЦАП Audiolab Q-DAC. По сравнению с топовой моделью M-DAC здесь нет аналогового регулятора громкости и XLR-выходов
Наиболее интересным считается Optimal Transient XD, который в своей группе позволяет получить наиболее ровный тональный баланс, оптимальную насыщенность и детальность. Вариант DD несколько усиливает глубину звучания, немного укрупняя музыкальные образы. Базовая версия Optimal Transient уступает своим производным, обеспечивая более мягкий и менее детальный звук. Этот вариант хорошо проявит себя на записях с резкой цифровой подачей материала.
Крутой спад
Что касается фильтров Slow Rolloff и Sharp Rolloff, то первый отличается плавным спадом АЧХ, но имеет «мягкий» удельный коэффициент затухания и значительно меньший «звон». Фильтр Sharp Rolloff характеризуется крутым спадом и обладает стандартным алгоритмом фильтрации, т.е. типичными промышленными характеристиками: спад в –6 дБ на 1/2 Fs.
Звучание после Sharp Rolloff приметно прибавкой баса, но при этом несколько страдает его проработка. По своему характеру этот фильтр напоминает звук CD-проигрывателей средней Hi-Fi-категории с ровной АЧХ вплоть до 20 кГц при проигрывании обычных CD-записей (16 бит/44,1 Гц). Верхние частоты при этом кажутся более резкими, присутствуют паразитные колебания до и после фронтов импульса. Сцена несколько зажата, ей может не хватает «воздуха». Данную версию рекомендуется использовать ностальгирующим по CD-плеерам 90-х, а для ценителей звучания с аналоговым характером подойдет Slow Rolloff, который немного выдвигает СЧ на передний план. Одна из его особенностей также заключается в более ровной, чуть смягченной подаче ВЧ-диапазона. Помимо этого, фильтр Slow Rolloff также может похвастаться отличными техническими параметрами.
Фазовый минимализм
Фильтр Minimum Phase (минимально-фазовый, т.е. с минимальными фазовыми искажениями) дает возможность получить плавное затухание, аналогичное Slow Rolloff, но характеризуется отсутствием паразитных колебаний («звона») перед фронтами импульса. Хорошо прорабатывается НЧ- и СЧ-диапазоны. Саунд при этом становится гармоничным, более плотным и собранным на басах, но менее выразительным и четким в высокочастотном диапазоне.
ЦАП Audiolab Q-DAC, вид сзади (коммутационная панель)
Выбор
При воспроизведении CD-дисков с обработкой с Optimal Transient обеспечивается весьма пологий спад по ВЧ, что выражается в более теплом характере звука. Как уже отмечалось, Optimal Transient не показывают рекордных характеристик при измерении, особенно в плане подавления помех дискретизации, но отличаются более «аналоговым поведением», что положительно отражается на звучании. Т.е. в данном случае недостаток становится достоинством. Одним из важных аспектов является то, что данные фильтры фактически полностью убирают цифровой «звон».
Усилитель мощности M-PWR (2 х 40 Вт) идеально согласуется с Q-DAC по дизайну
В категории Medium (среднее время установления отклика) находится единственный фильтр Slow Rolloff, который тоже отличается превосходными характеристиками. Его можно рассматривать как усредненную настройку между крайними подходами обработки цифрового сигнала.
Фильтры группы Fast имеют самое малое время установления отклика, обеспечивают наиболее четкие и резкие ВЧ и самый яркий звук, а также обладают лучшими техническими параметрами.
И еще напомним об одной фирменной примочке Audiolab. Модель M-DAC оснащена декоррелятором D3E, задача которого состоит в фильтрации различных гармоник, которые проявляются в процессе квантования. Благодаря D3E звучание становится чище, хотя изменения здесь не так явно заметны. Все это с учетом широкого выбора фильтров делает конвертеры Audiolab всеядными по отношению к любому музыкальному жанру.
Вопросы о ЦАПах: чипы и фильтры, мультибит, музыкальность и апскейлинг
На прошедшей онлайн-встрече было задано множество интересных и полезных вопросов о ЦАПах и цифровом сигнале. По итогам я сделал конспект-расшифровку наиболее важных из них, и по некоторым моментам дал расширенное объяснение. Будем считать, что получился своего рода FAQ по актуальному состоянию цифровых технологий в аудиокультуре.
На какие технические характеристики нужно обращать внимание при выборе ЦАПов — в порядке важности (силе влияния на звук), если можно так структурировать?
Ответ зависит от того, в какой вы точке вы находитесь. У вас уже что-то есть и нужен апгрейд — или вообще ничего нет? По ЦАПам можно посмотреть иерархию производителя. Если в линейке он такой один и стоит при этом не три копейки, то очевидно, что у производителя вся надежда только на него и это его предел возможностей. Т.е. производитель вложился в эту единственную модель.
Если же таких ЦАПов в линейке несколько, очевидно, что в младших моделях кое-что будет слабеньким — возможно, даже умышленно. Хотя по железной себестоимости разброс у пяти аппаратов может быть не таким и значительным.
Бывает, что производитель полагает, что он крепко упахался по теме и хочет разложить свои яички по всем корзинам. Поэтому он выстраивает свою линейку таким образом, чтобы сначала зацепить покупателей младших моделей чувством причастности к хорошему авторитетному бренду. Затем после обсуждения на форумах, где все щеголяют более дорогими аппаратами, человек настраивается в будущем занять более высокую ступеньку в этой иерархии.
Мне больше импонирует первый подход с минимальным количеством вариантов. ЦАП — это не колонка, которая может быть большого или маленького литража. Или усилитель, который должен выдавать много тока как сварочный аппарат. Здесь идет тихая тонкая работа — все это может работать хоть от батареек. Вот и сделайте одну модель на совесть!
Изучите все возможности чипа-конвертера, все его ключи, которые регулируют его работу и фильтрацию, поставьте лучший клок с минимальным джиттером, нормальные операционные усилители, исключите грязь питания. Хотя, повторюсь, для аудиолюбителей и в том числе журналистов второй вариант кажется более увлекательным — больше фактуры, можно посмаковать и поболтать о разнице начинок.
Приводимые технические параметры битности и дискретности принципиального значения не имеют. Если речь не идет о каком-то старье, сейчас даже дешевые чипы обеспечивают полную поддержку Hi-Res-аудио. Если на нем написано 32 бит или 24 бит — все это неважно. Официальной 32-битной музыки не бывает. Важно, какой у вас дальше обвес и была ли конструкция спроектирована адекватным человеком.
В чем разница выбора ЦАПа для CD и для FLAC и т.п., или они универсальны, кроме очевидного, типа необходимости порта USB в случае с FLAC с компьютера?
В CD-проигрывателях передача сигнала на ЦАП осуществляется в рамках одной платы, поэтому там используется протокол i2s. В нем синхронизация подается по отдельной линии. Его поддерживают все аудиочипы. Многие аудиофилы верят, что это самый лучший цифровой протокол на планете, но убедительных технических доказательств этому феномену пока не представлено. Случаи i2s-входов на внешних ЦАПах весьма редки. Причина банальна — стандартом не предусмотрено кабельное соединение для i2s. Поэтому некоторые Hi-Fi производители в частном порядке пытаются городить какие-то свои схемы на базе BNC, DIN, HDMI и др. С понятными итогами совместимости для этих агрегатов.
Поэтому если вы захотите вытащить из CD-транспорта PCM-код на внешний конвертер — понадобится кабель и SPDIF-протокол. Кабели — оптика или коаксиал, либо (реже) AES на разъеме XLR или BNC. Протокол SPDIF не использует отдельную шину, он содержит в себе тактовый сигнал синхронизации и ограничен параметрами 24 бит/192 кГц. SPDIF-ресивер на ЦАПе будет настраиваться строго по тактовой частоте транспорта, каков бы он ни был — хорош или плох.
USB-передача аудио — как это ни странно, находится ближе к старинному i2s, потому что фактически транслируется сигнал на i2s-шину в чипе ЦАПа. Здесь также существует возможность передачи до 32 бит и выделенный канал синхронизации. Первые USB-приемники имели синхронизацию с началом первого фрейма, но современные USB-ЦАП теперь владеют собственным клоком, и поэтому передача аудио по USB называется асинхронной. Подробнее можно почитать здесь.
Всегда интересовало выражение «музыкальный» ЦАП. Можно ли так характеризовать ЦАПы — и если да, то какие есть критерии «музыкальности»?
Не могу поручиться за каждого, кто злоупотребляет подобными терминами. В одних случаях подразумевается, что устройство принадлежит к аудиобренду High End, чей имидж обусловлен такой выраженной эмоциональной составляющей ее идеолога. Например, Питер Квортруп из Audio Note.
В других случаях этот термин могут приписывать мультибитным чипам — особенно, если они еще и работают в NOS-режиме, сглаживая высокочастотный диапазон. Окраска, ламповая или высокочастотная — все это может давать повод назвать такой ЦАП меломанским.
Предлагаю заодно рассмотреть и обратный вариант — почему некоторые слушатели обвиняют чипы ESS Sabre в антимузыкальности, хотя измерения у них такие, что не снились никаким «филипсам».
Какой чип ЦАПа лучше: AKM или ESS? Какие у них достоинства и недостатки?
В дешевых реализациях я бы избегал ESS. Если мы решим что-то выяснить с настройками чипов ESS, то обнаружим, что сделать это весьма непросто. В отличие от других производителей — Texas Instruments, Analog Devices или Asahi Kasei, — чипы ESS не имеют открытых кодов спецификаций.
Поэтому сразу предупреждаю самодельщиков не связываться наобум с «сейбрами». Это прибор с потенциально хорошими показателями, но сложный — и не все производители понимают, с чем имеют дело. Иногда некоторые не догадываются ставить сумматор из-за балансных выходов на чипе.
Внутренняя архитектура модулятора Sabre мультибитная и работает с блоками по 5 бит, усредняя значения. Математика Hyperstream на деле оказалась более чувствительной к смещению постоянного тока и вызывает рост интермодуляционных искажений в определенной области.
И это будет происходить, если вы используете цифровой аттенюатор перед ЦАПом. Интермодуляционные искажения более выражены для слуха, чем THD, но реже попадают в спецификации. А в западных пабликах это явление теперь так и зовут — ESS Hump.
Части производителей (таким, как Benchmark) удалось победить этот «горб», но у большинства проблема сохранилась. Так что сами видите — необходимо понимание работы ЦАПа в разных режимах.
Часто говорят о частоте дискретизации, но редко о битности. Насколько в реальности повышение глубины до 24 или 32 бит — это хорошо? Например, если частота остается 44,1 — улучшится ли звук, став 24-битным вместо 16 бит?
Чтобы понимать битовую глубину (или разрядность), сперва определимся, что они описывают и как работают. В бинарном коде бит будет либо 1, либо 0. Дальше с увеличением битности варианты кодирования растут по экспоненте. Напомню апокриф с изобретателем шахмат, которого правитель спросил о награде.
Шахматист смиренно попросил начать с одного зернышка на первой клетке и удваивать их количество на следующей. В общем, через несколько дней подсчетов правитель и казначеи поняли, что над ними издеваются. Потому что такого количества зерна не собрать, даже если осушить океаны и засеять всю землю. 64 клетки в шахматах — посмотрите на инженерном калькуляторе, сколько будет 2 в 64 степени. Это и есть 64 бит пшеницы.
При оцифровке (т.е. квантовании) истинные уровни всегда будут где-то между двумя соседними значениями кода. 16-битный звук описывается в пределах 65 536 значений. 24-битный звук, то есть 2 в 24 степени — уже описывается 17 миллионами вариантов уровня. Ну и как полагаете, какая сетка более точно опишет оттенки аналогового сигнала?
Еще один важный момент — редактирование цифрового сигнала. При изменении уровней, эквализации и другой обработке все процедуры для уменьшения ошибок квантования желательно вести в более высокой битности, чем оригинал. Поэтому на железном оборудовании в самом конце 80-х сначала появились шины 20 бит разрядности, затем и 24. В современных DAW-комплексах, да и просто компьютерных аудиоредакторах или даже регулировки громкости в плеерах типа Foobar внутренний пересчет потока ведется в 32 бит с плавающей точкой. DSP-процессоры могут использовать еще более высокие показатели — 64 бит, как на той шахматной доске.
Для тиража финальный микс опрокидывают обратно в 24 бит — либо по старинке в 16. В 32-битном формате музыку не издают. Нет смысла: огромный объем, ни SPDIF, ни FLAC 32 бит не поддерживает. Некоторые аудиофилы утверждают, что нет смысла и в 24-битной музыке. Мне так не кажется.
Дело в том, что для конвертации 32-битного проекта в 16-битную форму нужна инъекция сглаживающего шума. Так снимаются ошибки квантования при отбросе младших битов. Работает функция дизеринга (dither). И при переводе из 32 в 24 бит его величина настолько незначительна, что им даже можно пренебречь. Так что вмешательство в оригинальный сигнал при такой конвертации куда более щадящее, и имеет смысл предпочитать более близкие к оригиналу 24-битные миксы — даже если у них «обычная» частота дискретизации 44,1 кГц.
Если при воспроизведении 16-битный контент попадает на 24- или 32-битный ЦАП — ничего страшного. Просто младшие разряды останутся с нулями. А вот когда наоборот приходят 24 бит на старый 16-битный ЦАП, младшие 8 бит будут отброшены. Из-за транкейта ошибок квантования искажений в итоге станет больше.
Мультибитные ЦАПы — зачем они вообще нужны?
Мультибитные аппараты появились не нарочно, чтобы порадовать аудиофилов. Такая уж получилась технология — другой тогда еще не было. Хотя некоторые любители винтажа сейчас задним числом говорят, что такой ее сделали нарочно, чтобы отвадить потребителей от пластинок. Они же утверждают про «аналоговость» звучания мультибитных ЦАПов, с чем я не вполне согласен и на незнакомой системе вряд ли угадаю — вот это точно играет ЦАП на лестничной R-2R матрице. Если же намеренно ввести себя в аудиофильский транс и долго и изнурительно сравнивать, то я бы назвал мультибитный почерк иначе — жанровой «выразительностью».
Такой конвертер при грамотной реализации демонстрирует пластичность НЧ-диапазона, подчеркнет контур вокала или инструмента на акустических записях. Можно допустить, что у дельта-сигм при более уверенной и насыщенной «высоте» сцены, акустический тембр выглядит более постным и диффузным. Но, повторюсь, эта разница не в стиле «небо и земля».
В 80-90-х было выпущено множество CD-плееров с мультибитными чипами и грязноватым, утомительным звуком. Обвязка ведь тоже играет роль. К тому же не забывайте, что, например, DSD — это чистейшая дельта-сигма, однобитная. И у этой концепции вполне себе мягкий аналоговый (или псевдоаналоговый, как вам будет угодно) почерк.
Какие есть разновидности FIR-фильтров?
Информация по ним общеизвестна. Самый старый называется фазолинейным. После такого фильтра в волне будут паразитные колебания до и после импульса. В основном, сейчас применяют минимально фазовые — у него все колебания отложены на потом, после импульса. И эти флуктуации более выражены, чем у фазолинейного.
Если вы, как инженер, желаете уменьшить колебания, то ослабляете фильтр, делаете крутизну его спада мягче. Подобные фильтры называют уже не Sharp, а Slow. Они имеют спад на ВЧ. Если ваша система достаточно звонкая и прозрачная, Slow-фильтры ничего не испортят — мне они нравятся больше, чем Sharp.
1,2 – фазлинейные фильтры Sharp и Slow; 3, 4 – минимально-фазовые Sharp и Slow фильтры; 5 – без фильтрации non-oversampling (NOS); 6 – относительно новый вариант минимально-фазового фильтра Low Dispersion
Периодически поднимается тема апскейлинга частоты и битности цифрового сигнала. Насколько он нужен?
Если мы говорим не о записи, а о предварительном ресемплировании на более высокую частоту, то его цель — конвертировать и отфильтровать сигнал вне пределов человеческого слуха, сместить эту спорную область повыше. Но при пересчете такого сигнала на более высокий порядок тоже нарушается фаза. Так что оценивать успех этой процедуры придется вам на слух на конкретном устройстве. Лично мне это кажется лишней нагрузкой на процессор.
Самые современные и крутые ЦАПы поддерживают DSD1024 и апскейлинг PCM до 32 бит/768 кГц. Не убивает ли звук апскейлинг входящего сигнала до максимальных значений? Есть ли смысл (реальный прирост в качестве звука) в хранении и прослушивании DSD выше, чем DSD256?
Эта поддержка абстрактна и просто показывает вычислительные возможности. В идеале эти характеристики более приближены к аналоговому звуку с бесконечно затухающим спектром и бесконечной битностью. Но на практике никто не собирается записывать звук в таких форматах.
Вся кино- и музыкальная техника, а также персонал, который ее обслуживает, вполне удовлетворены частотами дискретизации 44,1 и 48 кГц. На эти частоты настроены и плагины обработки. Редко, когда используется 96 кГц на финальной стадии микширования, но сам мультритрек зачастую опять в 44,1. Нам может не нравиться такое положение дел в звукозаписи, но это данность. Что выросло, то выросло.
Есть ли разница в том, как техника воспроизводит разные представления одного и того же цифрового сигнала. Например, контейнеры без сжатия или со сжатием (без потерь)? Меняется ли что-то в разных версиях аудиоформатов? Например, FLAC был впервые представлен в 2001 году и пересматривался с тех пор десятки раз.
Сравнивал — ничего принципиального не заметил. Я знаю, что некоторые аудиофилы предпочитают не паковать в lossless-форматы, так как якобы без сжатия техника играет более «непринужденно». Те измерения, которые я провожу, не указывают на разницу при скармливании оригинального PCM или сжатого без потерь (архивированного) файла.
И я еще не дошел до той стадии паранойи, чтобы сравнивать версии FLAC. Это просто архиватор — какая-то версия жмет эффективнее, какая-то хуже. Он не трогает целостность потока, и у аудио в принципе не такая уж плотность данных, чтобы как-то переживать о нагрузке на современные чипы. Если не ошибаюсь, с какой-то поры все изменения версий FLAC затрагивали в основном кодировку тэгов. Но, опять же, находятся отдельные слушатели, которые скажут, что без тэгов файл звучит лучше.
Какое место у формата DSD в современной индустрии и есть ли у него будущее?
Будущего в современной индустрии звукозаписи у такого формата нет, поскольку в нем невозможно редактировать материал. Остается нишевое потребление. И если кому-то нравится звук DSD, то в него можно архивировать мастер-ленты с финальным миксом, что иногда и делается. И не забывайте, что в основе многих SACD, звучание которых вам нравится, использовались обычные записи PCM-рекордеров 16 бит/44,1 кГц.
На какую характеристику стоит обратить внимание в ЦАПах при построении настольной системы?
На коммутацию между ЦАПом и вашими активными колонками. Балансное подключение приветствуется. Также приветствуется USB-драйвер от XMOS или Amanero. Он должен обеспечивать нормальное ASIO-подключение.