Dynamiczny zakres wszystkich formatów cyfrowych, w tym DSD - mity i rzeczywistość

Rozważ takie cechy, jak: rzeczywisty zakres dynamiczny dla formatów DSD, szum fazowy i błędy próbkowania ogólnie dla wszystkich formatów cyfrowych.

Cechy sprzętu odtwarzającego dźwięk często obejmują takie cechy, jak:

• Zakres dynamiki i częstotliwości
• Stosunek sygnału do szumu
• Itd.

Ale wiele brakuje.

• Co to jest dyskretyzacja;
• Format CD i powiązane formaty Flac - prawdziwy zakres dynamiczny;
• Wynik czystości nagrania w formacie CD;

• Dyskretyzacja w Flac;
• Formaty WAVE o ultra wysokiej częstotliwości próbkowania;

• Dyskretyzacja formatu DSD;
• DSD z wyższymi częstotliwościami próbkowania;

• Podsumowanie, 3 ważne wnioski i istota artykułu;

Co to jest dyskretyzacja

Próbkowanie dyskretnie zmienia sygnał w czasie (w przeciwieństwie do kwantyzacji, która dyskretuje amplitudy sygnałów). Wszyscy wiedzą, jaka jest głębia bitowa dźwięku i przetworników cyfrowo-analogowych (ADC). Im większa głębia bitowa informacji audio i przetwornika cyfrowo-analogowego (ADC), tym wyższa: jakość, lepszy zakres dynamiczny i stosunek sygnału do szumu.

• Wikipedia - dyskretyzacja;

Mało kto myśli, że kwantyzacja na osi czasu, a ściślej mówiąc - dyskretyzacja, również przyczynia się do zakresu dynamicznego i powoduje szum cyfrowy (niewiele o tym mówi się w sieci).

Błąd próbkowania w tym sensie jest podobny do błędu kwantyzacji - im wyższa częstotliwość próbkowania, a zatem im więcej informacji na temat cyfrowej reprezentacji sygnału, tym lepsza jakość. Najczęściej melomani ograniczają się tylko do informacji o (teoretycznym) zakresie częstotliwości, ale na próżno! =)

Format CD i powiązane formaty Flac - zakres dynamiczny

Najpierw rzućmy okiem na twój ulubiony format CD i powiązane z nim formaty Flac. Zakres dynamiczny jest obliczany bardzo prosto - wynosi 6dB na 1 bit informacji, z modulacją kodu impulsowego w tych formatach. W przypadku płyty kompaktowej zakres dynamiki wynosi zatem 16 bitów x 6 dB = 96 dB. W związku z tym wielkość błędu kwantyzacji jest równa wartości najmniej znaczącego bitu, a dla 16-bitowego zakresu dynamiki szum (kwantyfikacja cyfrowa) wyniesie -96dB. Przebadaliśmy kwantyzację amplitudy i to nie wszystkie cechy dźwięku cyfrowego.

W moich poprzednich recenzjach mówiłem już o problemach związanych z dyskretyzacją dźwięku na płycie CD i jej rzeczywistym zakresem częstotliwości. Pozwól, że ci przypomnę. Zakres CD (teoretyczny) wynosi 20 Hz - 20 000 Hz.

Przy niższych częstotliwościach wszystko jest w porządku. Problemy występują podczas digitalizacji wysokich częstotliwości. Faktem jest, że okres maksymalnej częstotliwości (według twierdzenia Kotelnikowa-Shannona lub znanej jako „częstotliwość Nyquista”) 22050 Hz zostanie zapisany zaledwie dwiema cyframi. Jest to częstotliwość próbkowania równa częstotliwości CD 44100 Hz. Jeśli porównamy ilość informacji dostępnych do zarejestrowania maksymalnej częstotliwości 22050 Hz i minimalnej częstotliwości dla płyty CD 20 Hz, przychodzi na myśl bardzo ważna i prosta konkluzja - różne częstotliwości są rejestrowane z różną jakością.

Oczywiste jest również, że jeśli niższa częstotliwość zostanie nagrana z wysoką jakością, wówczas wyższe częstotliwości, całkiem logicznie, zostaną zarejestrowane z niską jakością. Pytanie tylko, jak słaba jest ta jakość..

Aby obliczyć wielkość szumu próbkowania, odpowiedni jest wzór z kwantyzacji oszacowania hałasu. Najpierw musisz znać wartość okresu (liczbę całkowitą) żądanej częstotliwości i obliczyć wymaganą liczbę bitów kodujących fazę częstotliwości. Poniższa tabela pokazuje częstotliwości ze zmniejszeniem oktawy plus najniższą częstotliwość (zakodowaną, jak pamiętamy z nadmiarem jakości), następnie wartość okresu jest minimalna, minimalna 2p, dalej liczba jednostek informacyjnych kodujących jeden okres częstotliwości i wymagana głębokość bitów aby zakodować jeden okres przy tej częstotliwości próbkowania (ograniczenie liczby bitów na fazę to tylko częstotliwość próbkowania). Na koniec podajemy to, czego potrzebujemy - wartość (teoretyczną) szumu fazowego (błąd próbkowania) dla pewnej częstotliwości:

CD 44100 Hz 16 bitów

• 22050 Hz 2p (1b) -6dB
• 11025 Hz 4p (2b) -12dB
• 5512 Hz 8p (3b) -18dB
• 2756 Hz 16p (4b) -24dB
• 20 Hz 2205p (11b) -66dB

Wartości szumu próbkowania są więc zniechęcające =). Nie bez powodu producenci sprzętu wcale nie wskazują tych cech..

Całkowita czystość płyt CD

Tylko niskie częstotliwości o stosunku sygnału do szumu poniżej około -45 dB są czysto nagrane w formacie CD. Średnie będą rejestrowane już przy wysokim poziomie szumu fazowego. Przy wysokich częstotliwościach praktycznie nie ma już nic ... Przypomnę, że szum kwantyzacji wynoszący tylko -96dB jest tym, co producenci sprzętu wskazują w opisie formatów.

Zobaczmy, co mamy z formatami o wysokiej rozdzielczości, zacznijmy od Flac:

Flac 96000 Hz 24 bity

• 24000 Hz 4p (2b) -12dB
• 12000 Hz 8p (3b) -18dB
• 6000 Hz 16p (4b) -24dB
• 3000 Hz 32p (5b) -30dB
• 20 Hz 4800p (13b) -78dB

Flac 192000 Hz 24 bity

• 24000 Hz 8p (3b) -18dB
• 12000 Hz 16p (4b) -24dB
• 6000 Hz 32p (5b) -30dB
• 3000 Hz 64p (6b) -36dB
• 20 Hz 9600p (14b) -84dB

Można zauważyć, że wraz ze wzrostem częstotliwości jakość staje się lepsza, ale niewiele.

Ponadto rozważ kilka formatów WAVE o ultra wysokiej częstotliwości próbkowania

FALA 384000 Hz 32 bity

• 24000 Hz 16p (4b) -24dB
• 12000 Hz 32p (5b) -30dB
• 6000 Hz 64p (6b) -36dB
• 3000 Hz 128p (7b) -42dB
• 20 Hz 19200p (15b) -90dB

Fala 768000 Hz 32 bity

• 24000 Hz 32p (5b) -30dB
• 12000 Hz 64p (6b) -36dB
• 6000 Hz 128p (7b) -42dB
• 3000 Hz 256p (8b) -48dB
• 20 Hz 38400p (16b) -96dB

Wyniki są już znacznie lepsze, ale wciąż nie doskonałe. =) Oczywiste jest, że formaty o ultra wysokich częstotliwościach nadal nie są dostępne dla prawie każdego.

Format DSD

Teraz zwróćmy uwagę na najbardziej kontrowersyjny pod względem jakości format DSD zastosowany w SACD. Po pierwsze, nie stosuje się tutaj modulacji impulsowo-kodowej, lecz modulację pulsacyjno-gęstościową. Oznacza to, że cały sygnał zarówno amplitudy, jak i czasu jest kodowany przez strumień wartości jednobitowych..

Z tego wynika, że ​​kwantyzacja jest symetryczna do dyskretyzacji, a zatem szum kwantyzacji będzie równy szumowi próbkowania. Interesujące jest zarówno to, jak i inne (w tym przypadku jest to jeden rozmiar).

Zacznijmy więc ... DSD

DSD64

• 2 822 400 Hz 1 bit
• 22050 Hz 128p (7b) -42dB
• 11025 Hz 256p (8b) -48dB
• 5512 Hz 512p (9b) -54dB
• 2756 Hz 1024p (10b) -60dB
• 20 Hz 141120p (18b) -108dB

Wyniki obliczeń są imponujące - jest to naprawdę format wysokiej jakości! Przy wysokich częstotliwościach występuje stosunkowo niski poziom hałasu, przy średnich częstotliwościach wskaźnik ten jest jeszcze lepszy, a przy niskich częstotliwościach jakość jest ogólnie nie do pochwały. Przy wysokich częstotliwościach początkowy format DSD pozostawia nawet WAVE 768,000 Hz!.

Pozostaje rozważyć format DSD o wyższych częstotliwościach próbkowania

DSD128

• 5.644.800 Hz 1 bit
• 22050 Hz 256p (8b) -48dB
• 11025 Hz 512p (9b) -54dB
• 5512 Hz 1024p (10b) -60dB
• 2756 Hz 2048p (11b) -66dB
• 20 Hz 282240p (19b) -114dB

DSD256

• 11.289.600 Hz 1 bit
• 22050 Hz 512p (9b) -54dB
• 11025 Hz 1024p (10b) -60dB
• 5512 Hz 2048p (11b) -66dB
• 2756 Hz 4096p (12b) -72dB
• 20 Hz 564480 (20b) -120dB

DSD512

• 22.579.200 Hz 1 bit
• 22050 Hz 1024p (10b) -60dB
• 11025 Hz 2048p (11b) -66dB
• 5512 Hz 4096p (12b) -72dB
• 2756 Hz 8192p (13b) -78dB
• 20 Hz 1128960p (21b) -126dB

Tabela pokazuje, że zwiększenie częstotliwości w formacie DSD ma sens dla jakości wysokich częstotliwości (niższe są rejestrowane z nadmiarem jakości).

Wynik:

• Producenci urządzeń odtwarzających dźwięk wskazują zakres kwantyzacji dynamicznej, związany z tym stosunek sygnału do szumu i nie wskazują wielkości szumu fazowego (błąd próbkowania).
• Drugi wniosek. Podane formaty o wysokiej wydajności z modulacją kodu impulsowego są częściowo mitem.
• I na koniec - Formaty DSD mają przewagę jakościową nad standardowymi.

W przyszłości, prawdopodobnie wraz z dalszym rozwojem elektroniki cyfrowej, dostępne będą formaty audio o bardzo wysokiej częstotliwości próbkowania i niskim poziomie szumów fazowych, ale na razie wybór nie jest bardzo duży i należy zwrócić uwagę na DSD. Oczywiście nie jest to reklama DSD i SACD =), ale wybór należy do Ciebie.