Какое устройство переводит цифровые данные от компьютера в звук

Обновлено: 08.07.2024

Звуковая карта (звуковая плата, звуковой адаптер) - это компьютерный модуль, предназначенный для ввода/вывода аудио сигнала.

Звуковая карта преобразует аналоговый сигнал звука в цифровой сигнал, который поступает в компьютер, и наоборот.

Виды звуковых карт

Интегрированные – встроенные в системную плату, малопроизводительны, работают за счет ОЗУ и ЦПУ

Внутренние – отдельное устройство, вставленное в слот расширения на системной плате

Внешние – подключаемые извне

Устройство звуковой карты

Аналого-цифровой преобразователь - это устройство, превращающее входящий в аудиокарту звук (электрические звуковые колебания) в цифровую форму
Цифроаналоговый преобразователь - это устройство, превращающее звук, существующий внутри компьютера цифровой форме, в электрические звуковые колебания на выходе
Микшеры - выполняют подключение или отключение источников и приемников звуковых сигналов, регулируют их уровень, смешивают сигналы
Цифровой эквалайзер – устраняет недостатки преобразования звука, акустики и помещения
Аудиопроцессор

Характеристики звуковой карты

Производитель, модель
Частота ЦАП
Разрядность ЦАП
Формат карты
Интерфейс подключения
Отношение сигнал/шум

Производитель - сегодня на рынке большой перечень производителей, например:

Частота ЦАП - определяет максимальную частоту звукового сигнала, которая примерно равна половине частоты дискретизации.

Для речи может быть достаточно 6-8 кГц, для музыки среднего качества - 20-25 кГц, для высококачественного звучания необходимо 44 кГц и больше.

Разрядность ЦАП – разpядность цифрового представления звука – количество бит информации, с помощью которого кодируется звук (8, 16, 24 бит).

Формат звуковой карты - количество каналов звучания (колонок) необходимое для воспроизведения стереозвука.

Сегодня 2.0, 4.0, 5.1, 7.1

Канал низкочастотных эффектов требует лишь часть от пропускной способности других каналов обозначается как «.1» - реализуется с помощью специального устройства - сабвуфер.

Интерфейс подключения

PCI-E (PCI-Express) — стандартная шина.
USB — используется для подсоединения внешних звуковых карт, как к ноутбуку, так и к стационарному ПК.
FireWire — используется для подсоединения внешних звуковых карт и обеспечивает высокую пропускную способность.
PCMCIA, или PC Card, — чаще всего применяется в ноутбуках для подключения периферийных устройств.
ExpressCard — это стандарт, пришедший на смену PCMCIA (PC Card) и отличающийся большей скоростью передачи данных.

Отношение сигнал/шум - позволяет понять взаимное отношение мощности сигнала и мощности шума на входе/выходе прибора.

При выборе лучшей звуковой карты значение этого показателя должно быть как можно больше (желательно от 85 до 121 дБ), тогда количество посторонних шумов будет минимальным.

Информация может быть двух видов дискретная (цифровая) и непрерывная (аналоговая). Дискретная информация характеризуется последовательными точными значениями некоторой величины, а непрерывная – непрерывным процессом изменения некоторой величины. Непрерывную информацию может, например выдавать датчик атмосферного давления или датчик скорости автомашины. Дискретную информацию можно получить от любого цифрового индикатора: электронных часов, счетчика магнитофона и т. п.

Дискретная информация удобна для обработки человеком, но непрерывная информация часто встречается в практической работе, поэтому необходимо уметь переводить непрерывную информацию в дискретную (дискретизация) и наоборот. Модем (от слов модуляция и демодуляция) представляет собой устройство для такого перевода. Он переводит цифровые данные от компьютера в звук или в электромагнитные колебания-копии звука и наоборот.

При переводе непрерывной информации в дискретную важна так называемая частота дискретизации ν, определяющая период (T = 1/ν) между измерениями значений непрерывной величины.

Чем выше частота дискретизации, тем точнее происходит перевод непрерывной информации в дискретную. Но с ростом этой частоты и растет значение дискретных данных и следовательно сложность их обработки, передачи и хранения. Эту частоту разумно увеличивать только до предела, определяемого теоремой о выборках, называемой теоремой Котельникова или законом Найквиста.

Любая непрерывная величина описывается множеством наложенных друг на друга волновых процессов, называемых гармониками, определяемых функциями вида , где A – амплитуда, ω – частота, t – время, φ – фаза.

Теорема о выборках утверждает, что для точной дискретизации ее частота должна быть не менее чем в два раза выше наибольшей частоты гармоники, входящей в дискретизируемую величину.

При преобразовании дискретной информации в непрерывную, определяющей является скорость этого преобразования: чем она выше, с тем более высокочастотными гармониками получится непрерывная величина. Но чем большие частоты встречаются в этой величине, тем сложнее с ней работать.

Устройства для преобразования непрерывной информации в дискретную АЦП (аналого-цифровой преобразователь) или ADC, а устройства преобразования дискретной в непрерывную – ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) или DAC.

Упражнение 1: в цифровых магнитофонах DAT частота дискретизации 48 КГц. Какова максимальная частота звуковых волн, которые можно точно воспроизводить на таких магнитофонах?

Скорость передачи информации в количестве переданных за одну секунду бит или в бодах 1 бод = 1 бит / сек (bps).

Информацию можно передавать последовательно, т. е. бит за битом и параллельно – группами фиксированного количества бит (используется как правило на расстоянии не более 5 м).

Упражнение 2: перевести единицы измерения

2,5 Гбайт = Кбайт

РАЗДЕЛ II. ИЗМЕРЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ.

2.1. Подходы к измерению информации

2.2. Единицы измерения информации

АЦП, ЦАП: зачем нужен преобразователь аудиосигнала?

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь – нужен для преобразования аудиосигнала из цифрого формата в аналоговый; обычно, для передачи в усилитель или немедленного озвучивания.

Все современные форматы записи аудио используют цифровое представление. И треки на CD или blu-ray дисках, и mp3-файлы, и музыка с iTunes – все они хранятся в цифровом формате. И для того, чтобы воспроизвести эту запись, её надо преобразовать в аналоговый сигнал – эту функцию и выполняет цифро-аналоговый преобразователь. Встроенный ЦАП присутствует в любом устройстве, воспроизводящем музыку. Но часто бывает, что качество проигрывания одних и тех же аудиофайлов (или треков с одного и того же диска) на разных плеерах заметно отличается. Если при этом используются одинаковые усилители и наушники, значит, проблема в ЦАП плеера.

Аудиосигнал, прошедший через низкокачественный ЦАП

ЦАПы бывают разные: дешевые преобразователи с низким энергопотреблением (часто используемые производителями в мобильных устройствах) имеют низкое быстродействие и малую разрядность, что сильно сказывается на качестве звука.

Если у мобильного устройства есть цифровой выход (S/PDIF или USB), можно подключить к нему внешний ЦАП - это гарантирует высокое качество преобразования цифрового звука в аналоговый.

Еще один приятный бонус можно получить, приобретя ЦАП с поддержкой Bluetooth. Это позволит слушать отличную музыку на подключенных к преобразователю динамиках, не будучи «привязанным» к нему проводами. Для мобильного компьютера (планшета или ноутбука) это может оказаться очень удобным. Кроме того, с таким преобразователем вы сможете проигрывать музыку с других устройств, поддерживающих Bluetooth и легко переключаться между ними.

АЦП – аналого-цифровой преобразователь – нужен, наоборот, для преобразования аналогового аудиосигнала в цифровой формат. АЦП будет незаменим при оцифровке (переводе в цифровой формат) старых аналоговых записей: на грампластинках, аудио и видеокассетах. Также АЦП потребуется при записи в цифровом виде «живого» звука с микрофона. Плееры с функцией записи и компьютерные звуковые карты имеют встроенный АЦП, но если вам важно качество оцифровки, лучше доверить эту задачу специализированному устройству.

Несмотря на совершенно противоположные задачи, АЦП и ЦАП обладают некоторыми общими характеристиками, оказывающими большое влияние на качество преобразования.

Характеристики преобразователей аудиосигнала.

Количество отсчетов в секунду - частота дискретизации

Для АЦП частота дискретизации определяет, с какой частотой преобразователь будет измерять амплитуду аналогового сигнала и передавать её в цифровом виде. Для ЦАП – наоборот, с какой частотой цифровые данные будут конвертироваться в аналоговый сигнал.

Чем выше частота дискретизации, тем результат преобразования ближе к исходному сигналу. Казалось бы, чем выше этот показатель, тем лучше. Но, согласно теореме Котельникова, для передачи сигнала любой частоты достаточно частоты дискретизации, вдвое большей частоты самого сигнала. С учетом того, что самая высокая частота, различимая на слух – 20 кГц (у большинства людей верхняя граница слышимого звука вообще проходит в районе 15-18 кГц), частоты дискретизации в 40 кГц должно быть достаточно для качественной оцифровки любого звука. Частота дискретизации audio CD: 44.1 кГц, и максимальная частота дискретизации mp-3 файлов: 48 кГц, выбраны как раз исходя из этого критерия. Соответственно, ЦАП, проигрывающий аудиотреки и mp3-файлы, должен иметь частоту дискретизации не менее 48 кГц, иначе звук будет искажаться.

Зеленым цветом показан исходный аудиосигнал, состоящий из нескольких гармоник, близких к 20 кГц. Малиновым цветом обозначен цифровой сигнал, дискретизированный с частотой 44.1 кГц. Синим цветом обозначен аналоговый сигнал, восстановленный из цифрового. Хорошо заметны потери в начале и конце отрезка.

Теоретически, такой частоты дискретизации должно быть достаточно, но практически иногда возникает надобность в большей частоте: реальный аудиосигнал не полностью отвечает требованиям теоремы Котельникова и при определенных условиях сигнал может искажаться. Поэтому у ценителей чистого звука популярны записи с частотой дискретизации 96 кГц.

Частота дискретизации ЦАП выше, чем у исходного файла, на качество звука не влияет, поэтому приобретать ЦАП с частотой дискретизации выше 48 кГц имеет смысл, только если вы собираетесь прослушивать с его помощью blu-ray и DVD-аудио или loseless музыку с частотой дискретизации, большей 48 кГц.

Если вы твердо нацелились на приобретение преобразователя с частотой дискретизации выше 48 кГц, то экономить на покупке не стоит. ЦАП, как и любое другое аудиоустройство, добавляет в сигнал собственный шум. У недорогих моделей шумность может быть довольно высокой, а с учетом высокой частоты дискретизации, на выходе такого преобразователя может появиться опасный для динамиков ультразвуковой шум. Да и в слышимом диапазоне шумность может оказаться настолько высокой, что это затмит весь выигрыш от повышения частоты дискретизации.

Чем выше разрядность, тем выше точность измерения или восстановления амплитуды сигнала

Разрядность – вторая характеристика, непосредственно влияющая на качество преобразования.

Разрядность ЦАП должна соответствовать разрядности аудиофайла. Если разрядность ЦАП будет ниже, он, скорее всего, просто не сможет преобразовать этот файл.

Треки audio CD имеют разрядность 16 бит. Это подразумевает 65536 градаций амплитуды – в большинстве случаев этого достаточно. Но теоретически, в идеальных условиях, человеческое ухо способно обеспечить большее разрешение. И если о разнице между записями с дискретизацией 96 кГц и 48 кГц можно спорить, то отличить 16-битный звук от 24-битного при отсутствии фонового шума могут многие люди с хорошим слухом. Поэтому, если ЦАП предполагается использовать для прослушивания DVD и Blu-ray аудио, следует выбирать модель с разрядностью 24.

Чем выше разрядность АЦП, тем с большей точностью измеряется амплитуда звукового сигнала.

При выборе АЦП следует исходить из того, какие задачи с его помощью предполагается решать: для оцифровывания «шумных» аудиозаписей со старых магнитофонных лент высокая разрядность АЦП не нужна. Если же вы планируете получить качественную цифровую запись со студийного микрофона, имеет смысл воспользоваться 24-битным АЦП.

Количество каналов определяет, какой звук сможет преобразовывать устройство. Двухканальный преобразователь сможет обрабатывать стерео и моно звук. Но для преобразования сигнала формата Dolby Digital или Dolby TrueHD понадобится, соответственно, шести- или восьмиканальный преобразователь.

Соотношение сигнал/шум определяет уровень шума, добавляемого в сигнал преобразователем. Чем выше этот показатель, тем более чистым остается сигнал, проходящий через преобразователь. Для прослушивания музыки нежелательно, чтобы этот показатель был ниже 75 дБ. Hi-Fi аппаратура обеспечивает минимум 90 дБ, а высококачественные Hi-End устройства способны обеспечить отношение сигнал/шум в 110-120 дБ и выше.

ЦАП должен иметь цифровой вход – это может быть S/PDIF, USB или Bluetooth. Выходу ЦАП аналоговый - «джек» (jack) или «тюльпаны» (RCA). У АЦП все наоборот – аналоговый вход и цифровой выход. Хорошо, если преобразователь имеет несколько различных входов и выходов – это расширяет возможности по подключению к нему различных устройств. Если же вход на преобразователе один, убедитесь, что аналогичный выход есть на устройстве, к которому предполагается его подключать.

Преобразователи аудиосигнала скорее относятся к студийному и домашнему оборудованию, поэтому питание большинства преобразователей производится от сети 220В. Но существуют и преобразователи, которые питаются от аккумуляторов и могут быть использованы автономно. Это может оказаться удобным при использовании преобразователя с мобильным устройством – ноутбуком, планшетом, смартфоном или плеером.

Некоторые преобразователи получают питание через разъем micro-USB, при этом получать (или передавать) аудиосигнал через этот разъем они не могут. Если вам важно, чтобы ЦАП мог читать аудиофайлы на USB-носителях, перед покупкой убедитесь, что USB на устройстве используется не только для питания.

Варианты выбора.

Если вам нужно устройство, с помощью которого можно будет оцифровать старые магнитофонные записи или записать на компьютер звук с микрофона, вам нужен аналогово-цифровой преобразователь. Цены на них начинаются от 1100 рублей.

Если вы желаете получить устройство для качественного проигрывания аудифайлов со смартфона с возможностью беспроводного соединения, выбирайте среди ЦАП с поддержкой Bluetooth. Такое устройство обойдется вам в 1400-1800 рублей.

Если же вы желаете услышать все богатство звука, записанного в loseless-формате с высокой частотой дискретизации и битностью 24, вам понадобится соответствующий ЦАП. Стоить он будет от 1700 рублей.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Представление звука в компьютере"

· оцифровка вводимого звукового сигнала;

· качество цифрового звука;

· виды кодирования звуковых файлов.

С начала 90-ых годов персональные компьютеры получили возможность работать со звуковой информацией.

Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию.

С помощью специальных программных средств (редакторов звукозаписей) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и, в результате, появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.

А как же представляется звук в компьютере?

Вообще звук – это процесс колебания воздуха или любой другой среды, в которой он распространяется. Звук характеризуется амплитудой (силой) и частотой (количеством колебаний в секунду).

Под звукозаписью понимают процесс сохранения звуковой информации на каком-либо носителе с помощью специальных устройств.

Ввод звука в компьютер производится с помощью звукового устройства, микрофона или радио, выход которого подключается к порту звуковой карты.

Рассмотрим подробнее процесс ввода звука в компьютер.

Звуковые сигналы непрерывны. С помощью микрофона звуковой сигнал превращается в непрерывный электрический сигнал. Но, как вы помните компьютер может работать только с цифровой информацией, поэтому если нам нужно обработать звук на компьютере, то его необходимо дискретизировать – то есть превратить в прерывистую, состоящую из отдельных частей, последовательность нулей и единиц.

Процессом преобразования звука из непрерывной формы в дискретную при записи и из дискретной в непрерывную при воспроизведении занимается звуковая карта или аудио адаптер.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. То есть задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Промежуток времени между двумя измерениями называется периодом измерений — обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Таким образом на качество преобразования звука влияет несколько условий:

• Частота дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

• Разрядность дискретизации – количество битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Результаты таких измерений представляются целыми положительными числами с конечным количеством разрядов. Как мы уже говорили, в таком случае получается дискретное конечное множество значений в ограниченном диапазоне.

Размер этого диапазона зависит от разрядности ячейки — регистра памяти звуковой карты.

То есть обратите внимание, снова работает главная формула информатики:

здесь i — это разрядность регистра. Также число i называют разрядностью дискретизации. Записанные данные сохраняются в файлах специальных звуковых форматов.

Две минуты записи цифрового аудиофайла занимают на диске 5,1 Мб. Частота дискретизации ровна 22050 Герц. Нужно найти разрядность аудиоадаптера.

При воспроизведении звукового файла цифровые данные преобразуются в электрический аналог звука. К звуковой карте подключаются наушники или звуковые колонки. С их помощью электрические колебания преобразуются в механические звуковые волны, которые воспринимают наши уши.

Таким образом, чем больше разрядность и частота дискретизации, тем точнее представляется звук в цифровой форме и тем больше размер файла, хранящего его.

Рассмотрим такой пример: Нужно определить качество звука (то есть какое это качество радиотрансляции или качество аудио-CD) если известно, что объём моноаудиофайла длительностью звучания в 10 секунд равен 940 Кб. Разрядность аудиоадаптера ровна 16 бит.

Рассмотрим ещё один пример. Аналоговый звуковой сигнал был дискретизирован сначала с использованием 256 уровней интенсивности сигнала (качество звучания радиотрансляции), а затем с использованием 65536 уровней интенсивности сигнала (качество звучания аудио-CD). Нужно найти во сколько раз различаются информационные объёмы оцифрованного звука?

Для работы со звуковой информацией на компьютере используются различные программы. Одни из них позволяют записать звук на цифровой носитель, другие — воспроизвести. Существуют программы, которые выполняют более сложную обработку звука. Такие программы называются редакторы звука. Например, можно вырезать фрагмент музыкального произведения или речи, объединить фрагменты, изменить тембр звучания, длительность воспроизведения создавать различные музыкальные эффекты, очищать звук от шумов, согласовывать с изображениями для создания мультимедийных продуктов и так далее.

При хранении оцифрованного звука приходится решать проблему уменьшения объёма звуковых файлов. Существует два способа кодирования звука: кодирования данных без потерь, позволяющего осуществлять стопроцентное восстановление данных из сжатого потока. А также кодирование данных с потерями. Позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных. Здесь используются различные алгоритмы, сжимающие оригинальный сигнал путём выкидывания из него слабо слышимых элементов.

Существует множество различных аудио форматов. Наиболее часто используются такие форматы как WAV и MP3. Тип формата обычно определяется расширением файла (то, что идёт после точки в имени файла mp3, wav, ogg, wma)

WAV – один из первых аудио-форматов. Обычно используется для хранения несжатых аудиозаписей, идентичных по качеству звука записям на компакт-дисках. В среднем одна минута звука в формате wav занимает около 10 Мб.

MP3 – наиболее распространённый в мире звуковой формат. MP3, как и многие другие форматы кодирует звук с потерей качества, то есть урезает звук, который не слышится человеческим ухом, тем самым уменьшая размер файла.

На текущий момент mp3 не является лучшим форматом по соотношению размера файла к качеству звучания, но в силу своей распространённости и поддерживаемости большинством устройств, многие хранят свои записи именно в нём.

Звуковая карта – это устройство для записи и воспроизведения звука на компьютере. Задача звуковой карты — с определённой частотой производить измерения уровня звукового сигнала и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.

Качество оцифрованного звука зависит от:

• Частоты дискретизации, то есть сколько раз в секунду будет измерен исходный сигнал.

• и Разрядности дискретизации – то есть от количества битов, выделяемых для записи каждого результата измерений.

Существует два способа кодирования звука:

• кодирования данных без потерь, здесь осуществляется стопроцентное восстановление данных из сжатого потока;

• кодирование данных с потерями. Это способ позволяет добиться схожести звучания восстановленного сигнала с оригиналом при максимальном сжатии данных.

Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?

Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.

У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.

Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.

Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.

Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.

Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.

Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.

На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.

Как ЦАП строят волну

ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.

Мультибитные ЦАП

Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.

На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.

Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.

Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).

При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.

Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.

Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.

Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).

Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.

Импульсные ЦАП

В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.

Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).

Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.

Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).

Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.

На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.

В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.

Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.

Являются ли идеальными импульсные ЦАП?

Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.

Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.

Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.

Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.

Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.

Формат DSD

После широкого распространения дельта-сигма ЦАП-ов вполне логичным было и появления формата записи двоичного кода напрямую дельта-сигма кодировке. Этот формат получил название DSD (Direct Stream Digital).

Широкого распространения формат не получил по нескольким причинам. Редактирование файлов в этом формате оказалось излишне ограниченным: нельзя микшировать потоки, регулировать громкость и применять эквализацию. А это значит, что без потери качества можно лишь архивировать аналоговые записи и производить двухмикрофонную запись живых выступлений без последующей обработки. Одним словом – денег толком не заработать.

В борьбе с пиратством диски формата SA-CD не поддерживались (и не поддерживаются до сих пор) компьютерами, что не позволяет делать их копии. Нет копий – нет широкой аудитории. Воспроизвести DSD аудиоконтент можно было только с отдельного SA-CD проигрывателя с фирменного диска. Если для PCM формата есть стандарт SPDIF для цифровой передачи данных от источника к отдельному ЦАП, то для DSD формата стандарта нет и первые пиратские копии SA-CD дисков были оцифровками с аналоговых выходов SA-CD проигрывателей (хоть ситуация и кажется глупой, но на деле некоторые записи выходили только на SA-CD, либо та же запись на Audio-CD специально была сделана некачественно для продвижения SA-CD).

Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.

Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.

На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.

Общий вывод

Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.

Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.

Читайте также: