Особенности звучания цифровых фонограмм, обусловленные аналого-цифровым преобразованием

Для любого цифрового источника звуковых программ блок цифро-аналогового преобразования является определяющим звеном тракта воспроизведения, ответственным за качество и характер звучания аппарата. От него зависят все основные параметры звука - отношение сигнал/шум, динамический диапазон, полоса воспроизводимых частот, а также его тембральная окраска. Конечно, динамический диапазон и отношение сигнал/шум для носителей, использующих линейное квантование (например, CD или DVD-Audio) в первую очередь определяются его разрядностью, а полоса воспроизводимых частот - частотой дискретизации.

Однако, первые два параметра можно улучшить (как, впрочем, и ухудшить) путем использования тех или иных компонентов тракта цифро-аналогового преобразования, в том числе и самого преобразователя, а также способом выполнения цифровых и аналоговых ФНЧ.

Третий же параметр - полосу воспроизводимых частот - расширить невозможно. Для CD предельное значение её верхней границы - 20 кГц (имеется ввиду CD, записанные с частотой дискретизации 44,1 кГц). Это ограничение строго выполняется ещё при подготовке фонограммы для записи на мастер-диск. Все частотные компоненты выше 20 кГц тщетельно отфильтровываются. Строго говоря, подавлены должны быть все составляющие спектра выше частоты 22,05 кГц, которая равна половине частоты дискретизации. Но, поскольку срез реальной АЧХ не бывает абсолютно вертикальным, запас в 2,05 кГц нужен для того, чтобы обеспечить переход от полосы пропусканиния к полосе задерживания. Если останется хоть один компонент выше 22,05 кГц, то в фонограмме появятся неустранимые искажения, обусловленные самим принципом аналого-цифрового преобразования.

Поэтому бессмысленно пытаться расширить полосу воспроизводимых частот в проигрывателе компакт-дисков или другом цифровом аппарате, использующем частоту дискретизации 44,1 кГц. Составляющих спектра выше 20 кГц там все равно нет (по крайней мере полезных). Но и за эти "законные" 20 кГц ещё нужно побороться. Сами по себе, автоматически, они не получатся. Для этого используют все существующие на сегодняшний день возможности - искусственное повышение частоты дискретизации, эффективную цифровую фильтрацию, а также добротные аналоговые ФНЧ с хорошей неравномерностью в полосе пропускания. Особенно сложно это сделать на краях диапазона - вблизи единиц Герц и вблизи 20 кГц. Поэтому в моделях низких ценовых категорий, как правило, ограничиваются какими-то необходимыми и достаточными, с точки зрения разработчиков, цифрами. Например: 20 Гц...18 кГц, 10 Гц...20 кГц или 2 Гц...20 кГц. В среднестатистических условиях домашнего прослушивания особенно сильного влияния на звучание фонограмм это не оказывает (если Вы, конечно, не меломан).

Особенности звучания цифровой аудиоаппаратуры вытекают из самой природы процессов преобразования непрерывного аналогового сигнала в дискретный (цифровой) и обратно. Определяющим, конечно, является первичный этап, а именно: каким способом и с помощью каких аппаратных средств осуществляется аналого-цифровое преобразование. Однако, результат этого этапа изначально ограничен условиями того, в какой форме требуется представить информацию для записи на носитель - в виде последовательности отсчетов (CD, DAT, DVD-Audio) или в виде непрерывного одноразрядного потока (SuperAudioCD).

Если требуется получить, скажем, последовательность 16-разрядных отсчетов с частотой 44,1 кГц для подготовки мастер-диска CD, то с какой бы точностью не производилось квантование (18, 20 или 24 разряда), результат все равно будет обладать 16-разрядным разрешением - и не более того. То же самое получится в случае формирования 16-разрядных отсчетов с помощью сигма-дельта модуляции и последующим понижением частоты дискретизации до 44,1 кГц. Но, с другой стороны, не стоит думать, что использование высокоразрядного линейного АЦП или одноразрядного кодирования в данном случае неоправданно. Линейные АЦП из-за целого ряда погрешностей почти всегда имеют реальную точность ниже номинальной. Применение 16-разрядного АЦП в действительности могло бы обеспечить только 15-разрядный результат, а то и хуже. Поэтому, чем выше номинальная мочность преобразователя, тем более "честными" получаются требуемые 16 разрядов.

Наилучшие результаты дают одноразрядные АЦП с использованием сигма-дельта модуляции. По этой причине, а также вследствии их простоты и дешевизны, они получают все более широкое распространение на практике. Только с их помощью можно получить реальную точность в 20 или 24 разряда, которая требуется при подготвке материала для записи дисков DVD-Audio. Преобразования одноразрядного потока в последовательность отсчетов не требуется, если речь идет о подготовке материала для записи на диск SuperAudioCD (SACD).

Если же говорить о форматах, где звуковая информация записывается на носитель в форме n-разрядных отсчетов (CD, DAT, MD, DVD-Audio), то для воспроизводящего устройства качество исходного материала определяется только параметрами квантования - разрядностью и частотой дискретизации. При условии, конечно, что эти параметры полностью обеспечены на этапе аналого-цифрового преобразования, независимо от того, каким именно способом оно производилось.

Если источником звуковой информации является компакт-диск, то исходный материал, представленный на нем в виде 16-разрядных отсчетов, следующих с частотой 44,1 кГц, номинально позволяет получить отношение сигнал/шум и динамический диапазон порядка 98 дБ, коэффициент нелинейных искажений 0,0015% и полосу частот до 20 кГц. В принципе этого вполне достаточно, чтобы качество звучания удовлетворяло самого взыскательного слушателя. Для сравнения: лучшие аналоговые записи могут обеспечить динамический диапазон порядка 60-70 дБ, а коэффициент нелинейных искажений - порядка 0,1-0,3%. Но у всякого цифрового источника (даже при условии реализации номинальных качественных характеристик) есть одна особенность. Величины отношения сигнал/шум и коэффициента нелинейных искажений справедливы только для сигнала с амплитудой, близкой к максимальной. Если же в фонограмме есть фрагменты тихого звучания - скажем, такого, который кодируется тремя-четырьмя разрядами, то соотношение между полезным сигналом и шумом квантования резко ухудшается. Например, при уровне сигнала, для кодирования которого достаточно четырех разрядов, величина шума квантования будет составлять уже 1/2⁴=1/16=6,25%. А это уже много. Звучание фонограммы в этом случае обогащается высшими гармониками и приобретает специфическую "цифровую" окраску - как бы с "песочком".

Кстати, обратите внимание на то, что в аналоговой записи чем слабее сигнал, тем он чище, так как в нем меньше нелинейных искажений, а чем уровень сигнала выше, тем искажений больше. В цифровой записи все наоборот - чем сильнее сигнал, тем он качественнее, а слабые сигналы передаются с искажениями. Причем зависимость здесь прямо пропорциональна - чем меньшее число разрядов задействовано для кодирования звука, тем хуже его качество.

Однако, здесь не надо путать с общей громкостью звучания фонограммы. Если просто уменьшить уровень воспроизведения какой-либо цифровой записи, то качество звука от этого не ухудшится. Речь идет только о тихих звуках внутри фонограммы с присутствием громких звуков.

Средства больбы с цифровыми искажениями уже известны - это использование передискретизации высокоразрядных ЦАП и сигма-дельта модуляции.

При повышении частоты дискретизации цифровой фильтр-интерполятор вычисляет промежуточные значения отсчетов. Число разрядов в полученных результатах при этом увеличивается. Если использовать для преобразования 16-рарядный ЦАП, то лишние младшие разряды округляются до ближайшего 16-разрядного значения. Но если процедура обеспечивает отношение сигнал/шум 98 дБ и более, то имеет смысл использовать ЦАП более высокой разрядности, например, 18-разрядный или 20-разрядный. Хотя такая замена имеет смысл в любом случае. Дело в том, что ЦАП - изделие, требующее очень высокой точности в технологии изготовления, обеспечить которую даже в современных условиях крайне сложно. Из-за этого они всегда обладают некоторой нелинейностью преобразования, отражающую ошибку, которую может дать реальное единичное приращение формируемого уровня аналогового сигнала в сравнении с теоретическим. Эта величина связана с величиной приращения от младшего значащего разряда.

Кроме того, ЦАП сам является источником некоторого фонового шума, обусловленного шумами входящих в его состав элементов. Существуют также и другие погрешности цифро-аналогового преобразования. Именно из-за наличия этих погрешностей многоразрядные ЦАП (а также АЦП) далеко не всегда имеют реальную разрешающую способность, соответствующую номинальной. Кроме того, успех применения многоразрядных ЦАП в проигрывателях компакт-дисков весьма сомнителен из-за того, что источник цифрового сигнала - сам компакт-диск - все равно остается 16-разрядным, так что, строго говоря, какой бы высокоразрядный ЦАП не использовался, разрешающая способность полученного результата все равно останется 16-разрядной. Единственным, но достаточно серьезным преимуществом увеличения разрядности применяемого ЦАП, является уменьшение уровня его собственных шумов и улучшение линейности преобразования. Иногда вместо одного ЦАП в каждом стереоканале используют по два. При этом один из ЦАПов преобразует положительную полуволну аналогового сигнала, другой - отрицательную. Эффект от такого включения в общем случае эквивалентен увеличению разрешающей способности на один разряд. В деталях - все зависит от способа включения и от типа самого преобразователя.

Более эффективным способом борьбы с шумами дискретизации представляется использование сигма-дельта модуляции - как в системах "Bit Stream" фирмы PHILIPS и MASH фирмы MATSUSHITA (TECHNICS, Panasonic). Например, в модели TECHNICS SL-PS 840 отношение сигнал/шум составляет 118 дБ, динамический диапазон - 99 дБ, а коэффициент гармонических искажений - 0,0015%.

Пионером на пути к увеличению частоты дискретизации и уменьшению разрядности цифро-аналоговых преобразователей была фирма PHILIPS, которая уже в самых первых моделях своих проигрывателей - CD-100, CD-200 и CD-300 использовала 14-разрядный преобразователь TDA1540 и 4-х кратный фильтр передискретизации SAA7030. Результат при этом получался лучше, чем у другой основоположницы стандарта на систему "Компакт-диск" - фирмы SONY, которая в своих первых моделях проигрывателя CD использовала "честный" 16-разрядный ЦАП без всяких цифровых фильтров. В те времена даже 16-разрядные преобразователи были дорогими и неточными, и приходилось использовать сложные аналоговые фильтры с крутым срезом АЧХ, но нелинейной фазовой характеристикой.

Теперь обратим внимание ещё на одну особенность цифровой звукозаписи. При формировании программ для записи на компакт-диски на студии используют обычные усилители звуковой частоты; для лучшей передачи высокочастотных составляющих спектра звуковых сигналов их часто усиливают с тем, чтобы при воспроизведении ровно на ту же величину ослабить. Характер такого усиления (предыскажения) оговорен стандартом на систему "Компакт-диск" и иллюстрируется рис. 7. Эта операция носит название преимфазиса.

Рис. 7 - Характеристика преимфазиса

Рис. 8 - Характеристика деимфазиса

Любой проигрыватель компакт-дисков имеет цепи обратной коррекции (деимфазиса) (рис. 8). Информация о том, сделана ли данная запись с использованием преимфазиса или без него, содержится в служебной группе, которая присутствует в каждом кадре записнной фонограммы. Управляющий процессор проигрывателя фиксирует такую информацию и автоматически включает цепь деимфазиса, если это необходимо. Никакого вмешательства пользователя при этом не требуется. Цепь деимфазиса представляет собой часть ФНЧ, расположенного после ЦАП.

Если проигрыватель не имеет блока цифро-аналогового преобразования и воспроизведение осуществляется через цифровой выход, то цепь деимфазиса должна располагаться во внешнем блоке ЦАП. В этом случае интерфейс, связывающий проигрыватель и блок ЦАП, должен предусматривать сигнал о наличии преимфазиса. В случае отсутствия такой информации должны быть предусмотрены соответствующие входы или переключатели на блоке ЦАП. При этом следует иметь в виду, что подавляющее большинство записей на компакт-дисках делается с использованием преимфазиса. Так что, если информация отсутствует, то он скорее есть, чем нет, и коммутацию входов ЦАП нужно делать с учетом именно этого предположения. В противном случае фонограмма будет перенасыщена высокочастотными составляющими и получится очень грубое звучание.