Dźwięk HI-Res - formaty wysokiej rozdzielczości DSD i DXD (mity)

Hi-Res Audio (w skrócie HRA) - pliki muzyczne zapewniające najwyższą jakość dźwięku cyfrowego. Porównując format związany z dźwiękiem HI-Res z mp3, można zauważyć uderzającą różnicę w jakości dźwięku. Hi-Res Audio to jakość wyższa niż jakość płyt kompaktowych (CD, DVD), a nawet wielu wysokiej jakości skompresowanych formatów cyfrowych. Dźwięk Hi-Res jest uważany za standard jakości dźwięku cyfrowego.

Przybliżone porównanie formatu:

Omówmy procesy zachodzące podczas odtwarzania multimediów i formatów wysokiej rozdzielczości - HI-Res: SACD (SuperAudioCD), DVD-Audio, DSD i DXD.

W poprzednim artykule HI-FI omówiliśmy już mity związane z jakością dźwięku z magnetofonów, płyt winylowych, wzmacniaczy lampowych i formatu CD. Czas zwrócić uwagę na bezkompromisowe formaty dźwięku współczesnego HI-FI. Natychmiast zapewniam czytelników, że będzie mniej krytyki niż w poprzednim artykule i nie dotyczy to jakości dźwięku, ale bardziej problemów technicznych.

Ostrzegam, że artykuł został napisany dla najbardziej ciekawskich czytelników, dla nieprzygotowanych czytelników (ale ciekawych) w razie potrzeby polecam odwołać się do Wikipedii. Mniej zainteresowanym czytelnikom polecam czytanie tylko „mitów” i wniosków..

1. Pierwszym formatem wysokiej rozdzielczości (HI-Res) są nośniki SACD;
2. Jaka jest różnica między modulacją kodu gęstości PCM (PDM) a modulacją kodu pulsacyjnego PCM (PCM)?
3. Mit nr 1 - Szeregowy DAC (ADC) jest lepszy niż równoległy;
4. Od cyfrowego do analogowego;
5. Wniosek 1. Główny plus „równoległego” ADC (DAC);
6. Logika „seryjnego” ADC (DAC);
7. Wniosek 2. Główny plus „seryjnego” ADC (DAC);
8. Mit nr 2 - Przetworniki DAC (ADC) używają konwerterów czysto równoległych lub szeregowych;
9. Mit nr 3 - 32-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe (ADC) mają lepszą jakość niż przetworniki 24-bitowe;
10. Mit numer 4. Mój odtwarzacz ma niski (wysoki) jitter;

Zobacz także:

• Dynamiczny zakres wszystkich formatów cyfrowych, w tym DSD - mity i rzeczywistość
• Dźwięk Hi-Fi, mity i rzeczywistość - ewolucja i rozwój dźwięku
• Różnica jakości między plikami mp3 i FLAC wynosi 192 Kb / s lub 320 Kb / s?

1. Pierwszym formatem wysokiej rozdzielczości (HI-Res) są nośniki SACD

Zacznijmy od pierwszego z formatów wysokiej rozdzielczości (HI-Res) - nośników SACD. Same media nie są dla nas interesujące; jest podobny do DVD pod względem pojemności i struktury fizycznej; interesujący jest format przechowywania informacji audio DSD.

Informacje w tym formacie różnią się od wszystkich innych formatów metodą kodowania i wykorzystują „Pulse Density Modulation” (PDM) w przeciwieństwie do PCM (Pulse Coding Modulation) zwykle stosowanej w kodowaniu audio.

1.1 Co oznaczają wszystkie te transformacje??

Aby przedstawić dźwięk cyfrowy, najczęściej stosowana jest modulacja pulsacyjna, w której oryginalny sygnał analogowy jest przetwarzany przez ADC (Przetwornik analogowo-cyfrowy) lub ADC (przetwornik analogowo-cyfrowy) na szeregowy strumień cyfr. Robi to ściśle zgodnie z określoną częstotliwością kwantyzacji (dla CD częstotliwość kwantyzacji wynosi 44100 Hz) - to z tą częstotliwością ADC mierzy amplitudę (intensywność) fali dźwiękowej i koduje wynik pomiaru cyfrą.

Dzieje się to zgodnie z możliwościami ADC (drugi ważny wskaźnik jakości ADC), w zakresie od 0 do 65535 dla 16-bitowych ADC, w zakresie od 0 do 16,7 miliona dla 24-bitowych i od 0 do 4 miliardów dla 32-bitowych ADC.

Oczywiste jest tutaj, że nawet niewielki wzrost głębokości (bitowości) ADC prowadzi do gwałtownego (wykładniczego) wzrostu jakości i dokładności kodowania audio.

Odwrotny proces konwersji odbywa się za pomocą DAC (przetwornik cyfrowo-analogowy) lub DAC (przetwornik cyfrowo-analogowy) - sekwencyjny strumień cyfr o danej częstotliwości kwantyzacji jest konwertowany na wartość ciśnienia akustycznego. Naturalnie, im większa głębia bitowa cyfrowego audio, w obecności odpowiedniej konwersji, tym dokładniej przywracany jest sygnał analogowy, a jakość dźwięku jest wyższa.

2. Jaka jest różnica między modulacją kodu gęstości PCM (PDM) a modulacją kodu pulsacyjnego PCM (PCM)?

Przeanalizowaliśmy PCM Pulse Code Modulation (PCM). Konwertuje to audio na CD, DVD-audio, DXD. Jaka jest różnica między modulacją kodu gęstości PCM (PDM)? z modulacji kodu impulsowego PCM (PCM)?.

Różnice w metodzie konwersji sygnału analogowego i odwrotnie cyfrowej na analogową w cyfrowej metodzie przechowywania informacji.

Przechowywanie informacji o dźwięku nie ma znaczenia. Zauważmy tylko, że do przechowywania dźwięku w SACD (DSD) używany jest strumień bitowy, a nie cyfry wielobitowe, w zakresie od 0 do 1, tj. Sygnał binarny. Liczy się to, w jaki sposób analog jest konwertowany na cyfrowy i odwrotnie..

Od tego momentu zaczynają się zamieszanie i mity 🙂 Faktem jest, że istnieją „szeregowe” i „równoległe” przetworniki analogowo-cyfrowe (cyfrowo-analogowe).

3. Mit nr 1 - Serial DAC (ADC) jest lepszy niż równoległy

Mit nr 1 - Jakość jednobitowego kodowania wysokich częstotliwości jest lepsza niż jakość kodowania wielobitowego...

Aby zrozumieć powyższe, rozważamy logikę konwerterów „równoległych” i „szeregowych”. Zacznijmy od digitalizacji sygnału analogowego - logiki ADC.

Zatem równoległy ADC „mierzy” sygnał analogowy i przekształca go w cyfrowy.

3.1 Jak zachodzi konwersja analogowo-cyfrowa?

Na wejściu ADC znajduje się obwód „komparatora”, którego znaczenie jest następujące - w celu porównania sygnału odniesienia (na przykład 1 wolta, ale napięcie początkowe jest zwykle przyjmowane jako połowa maksymalnej wartości mierzonego sygnału) z przychodzącym zmierzonym.

Jeśli zmierzony sygnał jest mniejszy niż obwód odniesienia, generuje sygnał logiczny „minus” (logiczne 0), a jeśli jest większy niż „plus” (logiczny 1). Zgodnie z tym logicznym sygnałem zmienia się wartość napięcia odniesienia - podwaja się lub podwaja w stosunku do poprzedniej wartości, w zależności od tego, czy zmierzony sygnał był większy czy mniejszy od odniesienia. Jednocześnie cyfra jest zapisywana w rejestrze cyfrowym (początkowo równa połowie zmierzonego zakresu) i jest dzielona lub mnożona przez 2, na podstawie porównania sygnału odniesienia ze zmierzonym sygnałem przez komparator.

Następnie pomiar ma miejsce ponownie i od najbardziej „brutto” do najbardziej „subtelnych”, z każdym krokiem wartość napięcia odniesienia będzie stopniowo zbliżać się do wartości zmierzonej. Liczba zapisana w rejestrze będzie również „dopracowywana” sekwencyjnie - od najwyższych cyfr (wartości „przybliżone”) do najniższych (wartości „dokładne”).

Liczba pomiarów jest równa pojemności obwodu ADC, na przykład dla 16-bitowego będzie 16 kroków-porównań pomiarów. Jest to tak zwana „metoda sukcesywnego przybliżania”. Ta logika jest dobra, ponieważ liczba pomiarów dla wysokiej dokładności jest niewielka i równa głębokości bitowej. W ten sposób:

• Aby zmierzyć sygnał z dokładnością od 0 do 65535, nie potrzebujesz 65535 kroków, ale tylko 16.
• Pomiar zajmuje tylko 24 kroki z dokładnością od 0 do 16,7 miliona.

W przypadku obwodu ADC można w ten sposób zastosować komponenty o stosunkowo niskiej częstotliwości, co upraszcza, zmniejsza koszt obwodu, zwiększa jego dokładność (ze względu na mniejszy rozkład parametrów elementów).

4. Od cyfrowego do analogowego

Odwrotna konwersja sygnału cyfrowego na analogowy (DAC) jest łatwiejsza. Mamy równoległy zestaw pinów mikroukładu, w którym liczba pinów jest równa głębokości bitowej konwertowanego sygnału. Każdy bit jest nadal sygnałem cyfrowym, ma tę samą wartość (napięcie). Sygnał jest nadal równolegle cyfrowy. Następnie obwód „R-2R” (rezystancja lub rezystor) jest podłączony do każdego zacisku, a zatem najwyższe napięcie odpowiada najwyższemu rozładowaniu, a najniższemu. W rezultacie kombinacja znaczących bitów przepuszczonych przez łańcuch „R-2R” jest mieszana w jeden sygnał analogowy. Na końcu jest filtr górnoprzepustowy. To wszystko =)

5. Wniosek 1. Główny plus „równoległego” ADC (DAC)

Działa na stosunkowo niskiej częstotliwości, dzięki czemu osiąga wysoką dokładność. Chodzi o to, że wszystkie częstotliwości powstają z ultra wysokiej częstotliwości rezonatora kwarcowego, który jest następnie dzielony przez obwody „dzielnika”, na niższą częstotliwość obwodu cyfrowego. Wraz z podziałem częstotliwości o wysokiej częstotliwości następuje podział (redukcja) błędu (odchylenia) częstotliwości od wartości teoretycznej. Im wyższy współczynnik podziału i im niższa częstotliwość końcowa, tym dokładniejsza jest częstotliwość wyjściowa.

W związku z tym komponenty i obwody o niskiej częstotliwości są dokładniejsze niż te o wysokiej częstotliwości..

6. Logika „seryjnego” ADC (DAC)

W seryjnym ADC mamy już komparator, który porównuje sygnał referencyjny (referencyjny) ze zmierzonym. Dalej są różnice w logice pracy.

Rejestr cyfrowy (pamięć buforowa) przechowuje cyfrę równą wartości sygnału odniesienia. Po kolejnym pomiarze sygnału analogowego przez komparator wyprowadza liczbę 1, jeśli pomiar był powyżej normy i 0, jeśli jest niższy. Wtedy sygnał odniesienia nie staje się 2 razy wyższy lub niższy, ale o jedną jednostkę większy lub mniejszy. Jednocześnie do pamięci nie jest zapisywana cyfra równa standardowi, ale bit 1, jeśli pomiar był większy lub 0, jeśli mniej.

W rzeczywistości mamy prostszą logikę szeregową (i obwód) ADC w porównaniu do równoległej.

Zamiast aproksymacji sekwencyjnej stosuje się tutaj utrwalanie (nagrywanie) aproksymacji krok po kroku. Aby zmierzyć zakres 16 bitów od 0 do 65535, potrzebujemy 65535 kroków (a nie 16). W związku z tym do konwersji 24-bitowej będziemy potrzebować 16,7 miliona kroków. Na wyjściu takiego ADC rejestrowany jest sekwencyjny strumień bitów, w którym wartość analogowa natężenia fali dźwiękowej jest równa „gęstości” strumienia zer i jedynek. Jeśli jest więcej jednostek, napięcie (intensywność) jest wyższe, a jeśli zera są niższe. Wszystko jest bardzo proste.

6.1 Odwrotna konwersja cyfrowo-analogowa, szeregowo

Odwrotna konwersja cyfrowo-analogowa (DAC) jest również prosta. Na wyjściu jednobitowego sygnału cyfrowego znajduje się pojemność (kondensator), która jest ładowana zerami i zerami, w różnej ilości, w zależności od gęstości zer i jedynek. Na końcu po pojemności znajduje się filtr górnoprzepustowy i wyjście analogowe.

7. Wniosek 2. Główny plus „seryjnego” ADC (DAC)

Wykorzystuje prostszy obwód z mniejszą liczbą komponentów. Wartości niedokładności we wszystkich elementach ścieżki analogowej są kumulowane w jednym wspólnym dużym błędzie. Im mniej elementów w obwodzie analogowym, tym dokładniejszy ADC (DAC) i lepszy dźwięk.

8. Mit nr 2 - w przetwornikach cyfrowo-analogowych (ADC) stosowane są wyłącznie równoległe lub szeregowe przetworniki

Uważny czytelnik zauważył, że we wnioskach 1 i 2 jest sprzeczność =). W rzeczywistości wszystko jest bardziej prozaiczne. W praktyce stosuje się kombinację tych metod.. Cały zakres amplitudy sygnału analogowego jest dzielony na podpasma (przetwarzanie równoległe), a następnie poddawany kodowaniu sekwencyjnemu. Takie „hybrydowe” przetworniki cyfrowo-analogowe (ADC) są najbardziej rozpowszechnione.

Podczas odtwarzania SACD faktycznie używany jest w pełni sekwencyjny jednobitowy przetwornik cyfrowo-analogowy. Ale jak już się dowiedzieliśmy, ten plus zaprzecza wysokiej częstotliwości obwodu DAC =). Mówiąc o wysokiej jakości SACD, oznacza to jego wyższą jakość w porównaniu do CD.

9. Mit nr 3 - 32-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe (ADC) przewyższają 24-bitowe

Rzeczywistość, jak zawsze, poważnie wyrzuca nas z teoretycznych maksimów na ziemię.

Najczęściej nie ma prawdziwych przetworników DAC działających z 32-bitową dokładnością w sprzęcie do odtwarzania dźwięku w domu (nawet HI-FI) =). Zwykle wszystko jest ograniczone do 24 bitów. Pośpieszam jednak, by uspokoić czytelników, że w studiach nagraniowych zdolność digitalizacji sygnału rzadko przekracza 24 bity, a jeśli nie więcej. Margines głębokości (dokładności) dźwięku jest potrzebny do edycji treści cyfrowych, ponieważ podczas edycji gromadzą się tak zwane błędy edycji. Wspominaliśmy o tym w poprzedniej recenzji..

Rozważmy jeszcze jeden, ostatni mit i spekulacje na ten temat..

10. Mit numer 4. W moim odtwarzaczu niski (wysoki) jitter

Czasy związane z wysoką cyfrową fluktuacją sięgają lat 90. i początku 00. Kiedy mikroukłady jeszcze nie były tak „duże” w złożoności obwodów, a producenci oszczędzali wszystko. Potem była różnica.

W tym momencie szeregowy przetwornik cyfrowo-analogowy dla SACD miał przewagę nad równoległym, niedrogim przetwornikiem cyfrowo-analogowym =). Ale w tamtych czasach istniały nawet przetworniki DAC dla płyt CD o głębokości nieco mniejszej niż 16 bitów =). Teraz te niedociągnięcia występują tylko w najtańszym sprzęcie, który nie ma nic wspólnego z HI-FI. Chociaż ... to nadal występuje w smartfonach =).

Więc jeśli lubisz muzykę, lepiej zaopatrz się w odtwarzacz wysokiej jakości =)

• TOP 15 najlepszych graczy;
• 15 najlepszych kart dźwiękowych;
• TOP 15 najlepszych słuchawek;

Z poważaniem, Andrey Teplyakov.