HI-Res audio – форматы высокого разрешения DSD и DXD (мифы)

Hi-Res Audio (сокр. HRA) – музыкальные файлы, предоставляющие максимально высокое качество цифрового звучания. Сравнивая формат относящийся к HI-Res audio с mp3, можно заметить разительную разницу в качестве звука. Hi-Res Audio на голову выше, по качеству звучания компакт-дисков (CD, DVD) и даже многих качественных сжатых цифровых форматов. Hi-Res Audio принято считать эталоном качества в цифровом аудио.

Приближенное сравнение форматов:

HI-Res audio

Обсудим процессы происходящие при воспроизведении носителей и форматов высокого разрешения – HI-Res: SACD (SuperAudioCD), DVD-Audio, форматов DSD и DXD.


⭐ Цены на лучшие беспроводные наушники в 2020 году:

В прошлой статье посвященной HI-FI, мы уже рассмотрели мифы связанные с качеством звучания магнитофонов, винила, ламповых усилителей и формата CD. Настало время обратить внимание на бескомпромиссные форматы звучания современного HI-FI. Сразу успокою читателей тем, что критики будет меньше чем в прошлой статье и относится она не к качеству звучания, а больше, к техническим моментам.

Предупреждаю, что статья написана для самых любопытных читателей, для неподготовленного читателя (но любопытного) я рекомендую по мере необходимости обращаться к википедии. Менее любопытным читателям я рекомендую прочитать только «мифы» и выводы.

HI-Res audio

Содержание:
  1. Первый формат высокого разрешения (HI-Res) — носитель SACD;
  2. Чем отличается Плотностно-Кодовая Модуляция ПКМ (PDM), от Импульсно-Кодовой Модуляции ИКМ (PCM)?
  3. Миф №1Последовательный ЦАП (АЦП) лучше чем параллельный;
  4. Из цифрового в аналоговое;
  5. Вывод 1. Основной плюс «параллельного» АЦП (ЦАП);
  6. Логика работы «последовательного» АЦП (ЦАП);
  7. Вывод 2. Основной плюс «последовательного» АЦП (ЦАП);
  8. Миф №2в ЦАП-ах (АЦП) используются чисто параллельные или последовательные преобразователи;
  9. Миф №332-битные ЦАП (АЦП) превосходят по качеству 24-битные;
  10. Миф №4. В моем проигрывателе низкий (высокий) джиттер;

Смотрите так же:

1. Первый формат высокого разрешения (HI-Res) — носитель SACD

Начнем с самого первого из форматов высокого разрешения (HI-Res) — носитель SACD. Сам носитель не представляет для нас никакого интереса, он подобен DVD по емкости и физической структуре, интерес представляет формат хранения аудио-информации DSD.

Информация в этом формате по способу кодирования отличается от всех остальных форматов и использует «плотностно-импульсную модуляцию» (PDM — Pulse Density Modulation) в отличие от используемой обычно при кодировании звука «импульсно кодовой модуляции» PCM (Pulse Coding Modulation).

HI-Res audio

1.1 Что значат все эти преобразования?

Для представления цифрового звука, чаще всего используют импульсно кодовую модуляцию, в которой исходный аналоговый сигнал преобразуется АЦП (Аналогово Цифровой Преобразователь) или ADC (Analog to Digital Converter) в последовательный поток цифр. Делает он это строго в соответствии с заданной частотой квантования (для CD частота квантования равна 44100 Гц) — именно с этой частотой АЦП измеряет амплитуду (интенсивность) звуковой волны и  кодирует результат измерения цифрой.

Происходит это в соответствии с разрядностью АЦП (второй важный показатель качества АЦП), в диапазоне от 0 до 65535 для 16-битного АЦП, в диапазоне от 0 до 16,7 миллионов для 24-битного и от 0 до 4 миллиарда для 32-битного АЦП.

HI-Res audio


Здесь очевидно что даже небольшое увеличение разрядности (битности) АЦП приводит к резкому (экспоненциальному) увеличению качества, точности кодирования аудио.


Обратный процесс преобразования происходит при помощи ЦАП (Цифро Аналоговый Преобразователь) или DAC (Digital to Analog Converter) — последовательный поток цифр с заданной частотой квантования, преобразуется в величину звукового давления. Естественно, чем выше разрядность цифрового аудио, при наличии соответствующего преобразования, тем точнее происходит восстановление аналогового сигнала и выше качество звучания.

2. Чем отличается Плотностно-Кодовая Модуляция ПКМ (PDM), от Импульсно-Кодовой Модуляции ИКМ (PCM)?

Мы рассмотрели Импульсно Кодовую Модуляцию ИКМ (PCM). Так преобразуется аудио в CD, DVD-audio, DXD. Чем же отличается Плотностно Кодовая Модуляция ПКМ (PDM)? от Импульсно Кодовой Модуляции ИКМ (PCM)?.

Различия и в способе преобразования аналогового сигнала и обратно цифрового в аналоговый, в цифровом способе хранения информации.

Хранение информации для звучания не имеет значения. Отметим лишь то, что для хранения аудио в SACD (DSD) используется поток бит, а не многоразрядных цифр, в диапазоне от 0 до 1, т.е двоичный сигнал. Важно то, как преобразуется аналог в цифру и обратно.

Именно с этого момента начинается путаница и мифы 🙂 Дело в том что существуют «последовательные» и «параллельные» аналогоцифровые (цифроаналоговые) преобразователи.


3. Миф №1 — Последовательный ЦАП (АЦП) лучше чем параллельный

Миф №1 — качество однобитного высокочастотного кодирования лучше чем качество многоразрядного кодирования

Для понимания изложенного далее рассмотрим логику работы «параллельного» и «последовательного» преобразователей. Начнем с оцифровки аналогового сигнала — логики АЦП.

Итак, параллельный АЦП «измеряет» аналоговый сигнал и преобразует его в цифру.

HI-Res audio

3.1 Как происходит аналого-цифровое преобразование?

На входе АЦП находится схема «компаратор», смысл которой сводится к следующему — сравнивать эталонный сигнал (допустим 1 вольт, но исходным обычно берется напряжение равное половине от максимального значения измеряемого сигнала) с поступающим измеряемым.

Если измеряемый сигнал оказывается меньше эталонного схема генерирует логический сигнал «минус» (логический 0), а если больше то «плюс» (логический 1). В соответствии с этим логическим сигналом изменяется величина эталонного напряжения — оно или увеличивается в два раза или уменьшается в два раза от предыдущего значения, в зависимости от того был ли измеряемый сигнал больше или меньше эталонного. Одновременно с этим в цифровом регистре хранится цифра (вначале равная половине измеряемого диапазона) и она делится или умножается на 2, по результату сравнения компаратором эталонного сигнала с измеряемым.

Далее измерение происходит еще раз и так далее от самого «грубого» измерения до самого «тонкого», с каждым шагом величина эталонного напряжения будет последовательно приближаться к измеряемому значению. Так-же последовательно будет «уточняться» хранящаяся в регистре цифра — от старших разрядов («грубым» значениям) к младшим («точным» значениям).

Количество измерений равно разрядности схемы АЦП, например для 16-битного будет 16 замеров-сравнений-шагов. Это так называемый «метод последовательного приближения». Эта логика хороша тем что количество измерений для высокой точности невелико и равно разрядности. Таким образом:

  • Чтобы измерить сигнал с точностью от 0 до 65535, понадобится не 65535 шагов, а всего 16.
  • Для измерения с точностью от 0 до 16,7 миллионов понадобится всего 24 шага.

Для схемы АЦП таким образом могут применяться относительно низкочастотные компоненты, это упрощает, удешевляет схему, увеличивает ее точность (за счет меньшего разброса параметров компонентов).


4. Из цифрового в аналоговое

Обратное преобразование из цифры в аналоговый сигнал (ЦАП) происходит проще. Мы имеем параллельный набор выводов микросхемы, в котором число выводов равно разрядности преобразуемого сигнала. Каждый разряд еще цифрового сигнала, имеет одну и ту же величину (напряжение). Сигнал пока еще параллельный-цифровой. Далее к каждому выводу подключена «R-2R» цепочка (сопротивление или резистор) и таким образом самому старшему разряду соответствуем высокое выходное напряжение, а младшему минимальное. В итоге комбинация значащих разрядов пропущенных через «R-2R» цепочки микшируется в один аналоговый сигнал. В конце находится высокочастотный фильтр. Вот и все =)

HI-Res audio

5. Вывод 1. Основной плюс «параллельного» АЦП (ЦАП)

Он работает на относительно низкой частоте, за счет чего достигается высокая точность. Смысл в том что все частоты образуются от сверхвысокой частоты кварцевого резонатора, которая затем делится схемами «делителями», до более низкой частоты работы цифровой схемы. Вместе с делением сверхвысокой частоты, происходит и деление (уменьшение) ошибки (отклонения) частоты от теоретической. Чем больше коэффициент деления и ниже конечная частота, тем точнее частота на выходе.

Соответственно низкочастотные компоненты и схемы точнее высокочастотных.


6. Логика работы «последовательного» АЦП (ЦАП)

В последовательном АЦП есть уже знакомый нам компаратор, который сравнивает эталонный сигнал (опорный) с измеряемым. Далее идут различия в логике работы.

В цифровом регистре (буферной памяти) хранится цифра равная значению эталонного сигнала. После очередного измерения компаратором аналогового сигнала, он выдает на выходе цифру 1, если измерение было выше эталона и 0, – если ниже. Затем эталонным сигналом становится не в 2 раза более высокий или более низкий сигнал, а на единицу больший или меньший. Одновременно с этим в память записывается не цифра равная эталону, а бит 1 если измерение было больше или 0 если меньше.

Фактически мы имеем более простую последовательную логику (и схему) АЦП, по сравнению с параллельной.


Вместо последовательного приближения, здесь используется фиксация (запись) пошагового приближения. Для измерения диапазона равному 16 бит от 0 до 65535 нам понадобится уже 65535 шагов (а не 16). Соответственно для 24-битного преобразования нам понадобится 16,7 миллионов шагов. На выходе такого АЦП записывается последовательный поток бит, в котором аналоговое значение интенсивности звуковой волны, равно «плотности» потока единиц и нулей. Если больше единиц, то напряжение (интенсивность) выше, а если нулей — ниже. Все очень просто.

6.1 Обратное цифро-аналоговое преобразование, последовательно

Обратное цифро-аналоговое преобразование (ЦАП) тоже простое. На выходе однобитного цифрового сигнала, стоит емкость (конденсатор), которая заряжается нулями и еденицами, на разную величину, в зависимости от плотности следования нулей и единиц. В конце после емкости находится высокочастотный фильтр и аналоговый выход.

HI-Res audio

7. Вывод 2. Основной плюс «последовательного» АЦП (ЦАП)

В нем используется более простая схема с меньшим числом компонентов. Величины неточности во всех компонентах аналогового тракта накапливаются в одну общую большую ошибку. Чем меньше компонентов в аналоговой цепи тем точнее АЦП (ЦАП) и качественней звук.

8. Миф №2 — в ЦАП-ах (АЦП) используются чисто параллельные или последовательные преобразователи

Внимательный читатель заметил что в выводах 1 и 2 есть противоречие =) . В реальности все прозаичней. На самом деле на практике используют комбинацию этих методов. Весь диапазон амплитуд аналогового сигнала разбивается на поддиапазоны (параллельная обработка) и затем подвергается последовательному кодированию. Такие «гибридные» ЦАП-ы (АЦП) являются самыми широко распространенными.

При воспроизведении SACD на самом деле используется полностью последовательный однобитный ЦАП. Но как мы уже выяснили этот плюс входит в противоречие с высокой частотой работы схемы ЦАП =). Когда говорят про высокое качество SACD, то имеется ввиду его более высокое качество по сравнению с CD.

9. Миф №3 — 32-битные ЦАП (АЦП) превосходят по качеству 24-битные

Реальность как всегда сурово приземляет нас от теоретических максимумов на землю.

Реальных ЦАП, работающих с 32 битной точностью в бытовой (даже HI-FI) звуковоспроизводящей аппаратуре чаще всего нет =) . Обычно все ограничивается 24 битами. Но поспешу успокоить читателей тем, что и на студиях звукозаписи разрядность оцифровки сигнала редко превышает 24 бита, а если и превышает то ненамного. Запас в разрядности (точности) аудио нужен для редактирования цифрового контента, так как при редактировании так называемые ошибки редактирования накапливаются. Об этом мы уже упоминали в прошлом обзоре.

Рассмотрим еще один, последний миф и спекуляции по этой теме.

HI-Res audio

10. Миф №4. В моем проигрывателе низкий (высокий) джиттер

Времена связанные с высоким цифровым джиттером относятся к 90-ым и началу 00-вых. Когда микросхемы были еще не такие «большие» по сложности схем и производители на всем экономили. Тогда существовала разница.

Именно в этом моменте последовательный ЦАП для SACD имел преимущество перед параллельными дешевыми ЦАП=). Но в те времена встречались даже ЦАП для CD, с разрядностью менее 16 бит =). Сейчас эти недостатки встречаются только в самой дешевой технике не имеющей к HI-FI никакого отношения. Хотя… это еще встречается в смартфонах =).

Так что если вы любите музыку лучше приобретайте для этого качественный плеер =)


  • ТОП 15 лучших плееров;
  • ТОП 15 лучших звуковых карт;
  • ТОП 15 лучших наушников;

С уважением, Тепляков Андрей.

Редактор, музыкант и создатель проекта. Работаю с аудиотехникой с 2014 года. Отвечаю на вопросы, делаю обзоры и составляю рейтинги. Мои контакты.