Resampling. Dinding bata digital melawan teori konspirasi. Kisah Natal untuk pecinta suara jernih
Tidak ada mitos yang mengakumulasi mitos
sebanyak di bidang Hi-Fi dan perangkat Hi-End untuk mereproduksi suara.
Hit Christmas Story di salah satu dari mereka!
Ketika tahun lama sudah dihabiskan, Tahun Baru disambut pertama kali dalam lingkaran keluarga yang sempit, dan kemudian dengan kerabat yang lebih jauh, ketika salad Tahun Baru berakhir atau menjadi tidak berharga dan mulai melepaskan mabuk ...Mereka yang tidak ingin atau tidak bisa merayakan Tahun Baru di Far Abroad mulai Rasakan panggilan komputer pribadi.Bagi mereka, kisah Natal saya adalah tentang dasar-dasar resampling - sebuah teknologi yang telah secara signifikan meningkatkan kualitas pemutaran CD audio pada awal milenium. Saat itulah 18 dan bahkan 20 bit digital-to-analog converter mulai digunakan untuk memutar rekaman 16 bit. Pada pandangan pertama, itu tampak seperti taktik pemasaran dari produsen yang bertujuan mengekstraksi sebagian besar uang dari dompet audiophiles yang mudah tertipu, tetapi kali ini para pendukung teori konspirasi dapat menghindar. Bahkan, ini merupakan upaya yang berhasil meningkatkan kualitas reproduksi dan mengurangi harga peralatan profesional yang mahal. Ceritanya sudah tua, tetapi instruktif, dalam banyak hal relevan dengan hari ini.Digital-to-analog converter digital-to-analog DAC adalah jantung dari setiap sistem audiovoproizvodyaschey menggunakan sebagai sumber CD. Ia dipercayakan dengan tugas rumit dan rumit untuk memecahkan kode urutan angka 16-bit dan mengubahnya menjadi format yang dirasakan oleh telinga manusia.
Kembali pada tahun 1983, pemutar CD ikon Magnavox pertama muncul dengan konverter 14-bit ganda, tetapi pada awal abad ini, banyak sistem pemutaran CD berkualitas tinggi memiliki konverter 18 atau bahkan 20 bit. MengapaSedikit teori, hampir tanpa rumus
Konsep konversi digital-ke-analog bertumpu pada dua pilar: laju sampling sampling dan kedalaman bit kuantisasi .Untuk memutar suara dalam format PCM, kita harus secara berkala mengubah nilai digital menjadi tegangan analog atau nilai saat ini. Frekuensi transformasi ini adalah frekuensi sampling. Menurut teorema Nyquist, dengan demikian dimungkinkan untuk mereproduksi sinyal dengan frekuensi tidak lebih tinggi dari setengah frekuensi sampling. Format yang paling umum yang mampu mereproduksi sinyal dengan frekuensi yang dirasakan oleh telinga manusia, angka yang diterima secara umum adalah 20 kHz , memiliki frekuensi sampling 44,1 dan 48 kHz.
Yang pertama masih banyak digunakan dalam audio compact disc (CDDA, Eng. Compact Disc Digital Audio, juga disebut Eng. Audio CD dan Red Book), dan yang kedua lahir dalam sejumlah standar untuk peralatan rekaman profesional.Bayangkan ketika merekam, sinyal audio mencapai konverter analog-ke-digital yang ideal. Itu tidak memiliki noise dan distorsi sendiri dan mengubah nilai sesaat dari sinyal yang tiba di itu ke digital dengan kedalaman bit yang diberikan, baik, misalnya, 16 bit, seperti biasa dalam format Audio CD. Dalam hal ini, rentang dinamis sinyal yang dapat dicapai secara teoritis (rasio antara sinyal digital dengan level tertinggi dan terendah) adalah 98,1 dB. Untuk menghitung nilai ini, rumus perkiraan sering digunakan, yang dengannya setiap bit tambahan menambahkan 6 desibel ke rentang dinamis yang dapat dicapai secara teoritis. Untuk sinyal 16-bit, kita mendapatkan:6dB / bit * 16bits = 96dB .Sinyal musik sungguhan paling sering tidak terdiri dari nada murni, tetapi dari campuran sejumlah besar harmonik yang dengan cepat mengubah frekuensi dan amplitudo mereka. Untuk harmonisa yang memiliki amplitudo kurang dari satu bit ADC, tidak mungkin untuk mengembalikan korelasi dengan sinyal asli, dan sebagai hasil dari operasi pengkodean-dekode, mereka berubah menjadi white noise. Selain itu, suara-suara dihasilkan oleh sinyal yang berubah dengan cepat dengan amplitudo besar, yang akan kita katakan banyak dalam musik pop.Dari perkiraan ideal hingga kehidupan nyata. Masalah pemain CD pertama
Sejak awal penggunaan teknologi digital dalam rekaman suara, telah ada perlombaan terus-menerus untuk meningkatkan produktivitas mereka dan mengurangi biaya. Pemutar CD pertama memiliki DAC paralel tunggal dan dua sirkuit input, yang secara bergantian memasukkan sinyal ke sana dari saluran kanan atau kiri. Level instan dari sinyal analog pada output DAC direkam menggunakan sirkuit khusus untuk waktu antara dua pembacaan dan secara bergantian diumpankan ke amplifier terpisah dari saluran kanan dan kiri. Hal ini menimbulkan distorsi tambahan, nilainya tergantung pada perbedaan tingkat suara instan saluran. Di bawah tekanan kritik auidophiles, produsen dipaksa untuk beralih ke skema dengan DAC terpisah untuk setiap saluran.
Pada output DAC ada sinyal langkah-demi-langkah, yang tidak terlalu mirip dengan sinyal sumber halus, ada distorsi yang tidak menyenangkan oleh telinga. Untuk kesederhanaan, mari kita bayangkan bahwa harmonik tunggal dengan frekuensi 1 KHz diterapkan pada input. Operasi merekonstruksi sinyal digital sebenarnya mengarah ke tampilan distorsi intermodulation antara sinyal asli dan frekuensi sampling - dalam kasus kami, 44,1 KHz. (Mekanisme terjadinya distorsi intermodulasi dan program pendidikan tentang harmonik, jika perlu, dapat ditemukan di artikel terakhir saya ).Terlepas dari kenyataan bahwa harmonik parasit berada di luar telinga manusia, mereka memiliki efek buruk pada saluran amplifikasi dan lebih baik untuk menyingkirkannya.
Pada model awal peralatan untuk mereproduksi konten digital, filter digunakan untuk ini, yang memiliki karakteristik datar hingga frekuensi 20 kHz, dan kemudian atenuasi tajam pada level sebesar 80 dB atau lebih. Dalam terminologi bahasa Inggris, filter semacam itu disebut dinding bata, dalam bahasa Rusia filter ini kadang-kadang disebut dengan analogi "dinding bata". Masalahnya adalah filter low-pass analog orde tinggi sangat sensitif terhadap keakuratan nilai komponen pasif yang dikandungnya. Situasi ini semakin rumit dengan peringkat yang disyaratkan, yang berada di luar kisaran standardan persyaratan khusus untuk kualitas komponen-komponen ini, yang diperlukan untuk mencapai kontribusi minimum terhadap distorsi sinyal. Akibatnya, biaya filter ini ternyata menjadi penghalang, tetapi hal yang paling menyedihkan adalah mereka tidak dapat memenuhi permintaan audiophile, karena filter ini memiliki distorsi fase besar, terutama di tepi kisaran yang direproduksi. Oleh karena itu, suara versi awal dari pemutar CD, meskipun biayanya tinggi, para audiofil digambarkan sebagai " kasar ".Filter digital bergegas untuk menyelamatkan. Oversampling jari
Sebuah langkah serius menuju peningkatan kualitas suara dan, yang paling penting, aksesibilitasnya adalah pengenalan teknologi oversampling sinyal, yang didedikasikan untuk artikel ini.Untuk memperjelas esensinya, mari bayangkan proses pemulihan sinyal dengan frekuensi GOST tercinta 1 KHz. Gambar A menunjukkan serangkaian sampel komponen sinyal yang muncul pada output DAC, dan ke kanan, komponen spektral orde kedua dan ketiga terkandung dalam sinyal pada output DAC. Anda dapat melihat bahwa sinyal tidak lebih dari produk distorsi intermodulation antara nada awal dengan frekuensi 1 KHz dan frekuensi digitalisasi 44,1 KHz.
Kami akan meningkatkan laju pengambilan sampel sinyal empat kali dengan operasi elementer - menambahkan tiga sampel tambahan antara dua yang berdekatan, masing-masing memiliki nilai nol, seperti yang ditunjukkan pada Gambar C. Pada saat yang sama, tambahkan dua bit paling tidak signifikan dalam setiap sampel, juga mengisinya dengan nol. Sekarang kami mendapat nilai sampel 18 bit. Sebagai hasil dari operasi ini, spektrum sinyal tidak benar-benar berubah, tetapi sebenarnya telah terjadi perubahan mendasar. Harmonik orde kedua yang disebabkan oleh frekuensi sampling telah menjadi bagian dari spektrum sinyal utama. Harmonik turunan telah bergerak di atas frekuensi 44,1 kHz. Ini ditunjukkan pada Gambar D.
Di wilayah spektral sinyal utama, penyaringan digital dapat berhasil diterapkan, yang akan kita lakukan dengan menggunakan filter digital orde tinggi dengan respons frekuensi yang ditunjukkan pada gambar.F . Secara fisik, kami mendapatkan titik tengah tambahan antara sampel sinyal yang tersedia, yang memperlancar transisi antara dua nilai karena penampilan dua bit tambahan dalam representasi amplitudo.
Sekarang filter digital telah melakukan semua pekerjaan yang sulit dan kotor, kami memberi makan sinyal yang dihasilkan dengan frekuensi sampling 44,1 * 4 = 176,4 KHz ke DAC.Tetap menambahkan cherry ke kue kami - untuk melewatkan sinyal melalui filter analog paling sederhana dari urutan ketiga, yang secara sempurna mengatasi penekanan harmonik pada rentang tertentu dan tidak menimbulkan distorsi fase yang nyata.
Hasilnya - spektrum sinyal yang diterima telah menjadi lebih dekat ke aslinya, komponen parasit di dalamnya sangat dilemahkan, dan distorsi fase diminimalkan karena kemampuan penyaringan digital.
Implementasi perangkat keras
Gambar tersebut menunjukkan implementasi perangkat keras dari solusi yang dijelaskan di atas. Operasi resampling dan penyaringan digital dilakukan oleh chip CXD1088Q yang diproduksi oleh SONY, salah satu leluhur dari format Audio CD. Sirkuit logika sederhana pada gilirannya memulai konversi dua D18 AD1860 18-bit yang terpisah.
Manfaat apa yang kami dapatkan sebagai hasil dari trik digital kami?
- Pengurangan distorsi intermodulation
- Distorsi fase rendah diperkenalkan oleh filter
- Penindasan yang sangat baik dari harmonisa yang lebih tinggi yang timbul dalam proses konversi digital ke analog, yang dapat berfungsi sebagai sumber distorsi intermodulasi di jalur amplifikasi
- Penggunaan konverter digital-ke-analog dengan kedalaman bit yang lebih tinggi memungkinkan untuk mengurangi nonlinier dari konversi dan koefisien distorsi harmonik karena mereka memiliki parameter yang lebih baik
- , , .
, …
, . :
CD Hi Fi .
.
,
, “ ”, dan tidak hanya distorsi dan mengangkat label harganya ke surga.Untuk perbandingan yang lebih rinci tentang pengoperasian filter analog dan digital serta jawaban atas pertanyaan umum, lihat artikel selanjutnya
.Dalam mempersiapkan publikasi, bahan-bahan dari artikel IC DAC: Berapa Banyak Bit yang Dipikirkan? ditulis oleh Robert Adams Source: https://habr.com/ru/post/id400383/
All Articles