Sisu
Nagu olete ilmselt märganud, on nutitelefonide tööstuses uus suundumus kaasata kaasaegsete lipulaevade nutitelefonidesse „stuudiokvaliteediga” helilaastud. Ehkki 322-bitine DAC (digitaal-analoogmuundur) koos 192kHz helitoega näeb spetsifikatsioonilehel kindlasti hea välja, pole meie helikogude suurendamiseks lihtsalt mingit kasu.
Siinkohal selgitan, miks selline bitisügavuse ja proovivõtukiiruse kiitmine on lihtsalt üks näide helitööstusest, kasutades ära tarbijate ja isegi audiofiilide puudulikke teadmisi sellel teemal. Ärge tehke oma nohikmütse, me käsitleme tõsiseid tehnilisi punkte, et selgitada pro audio heli ja külgi. Ja loodetavasti tõestan teile ka seda, miks peaksite ignoreerima enamikku turunduse hüpetest.
Kas sa kuuled seda?
Enne kui sisse asume, pakub see esimene segment vajalikku taustteavet digitaalse heli kahe peamise mõiste, bittisügavuse ja proovivõtukiiruse kohta.
Proovikiirus näitab, kui tihti me signaali amplituuditeavet hõivame või taasesitame. Põhimõtteliselt tükeldame lainekuju paljudeks väikesteks osadeks, et selle kohta konkreetsel ajahetkel rohkem teada saada. Nyquisti teoreem väidab, et kõrgeim võimalik sagedus, mida on võimalik jäädvustada või taasesitada, on täpselt poole sagedusest valimi sagedusest. Seda on üsna lihtne ette kujutada, kuna selle sageduse täpseks tundmiseks on vaja lainekuju üla- ja alaosa amplituudid (mis vajaksid kahte näidist).
Proovivõtukiiruse (ülemise) suurendamine toob kaasa täiendavad proovid sekundis, samal ajal kui suurem biti sügavus (alumine) pakub rohkem võimalikke väärtusi proovi salvestamiseks.
Heli osas tegeleme ainult sellega, mida me kuuleme ja valdav enamus inimesi kuuleb saba vahetult enne 20 kHz. Nüüd, kui me teame Nyquisti teoreemist, saame aru, miks 44,1 kHz ja 48 kHz on tavalised diskreetimissagedused, kuna need on pisut üle kahe korra, kui maksimaalne sagedus on, mida me kuuleme. Stuudiokvaliteediga 96kHz ja 192kHz standardite vastuvõtmine pole midagi pistmist kõrgema sagedusega andmete hõivamisega, see oleks mõttetu. Kuid me mõtleme sellele veel minutiga.
Kuna me vaatleme amplituudide muutumist aja jooksul, viitab biti sügavus lihtsalt amplituudiandmete salvestamiseks saadaolevale eraldusvõimele või punktide arvule. Näiteks 8-bitine pakub meile ümmarguseks 256 erinevat punkti, 16-bitine tulemus annab tulemuseks 65 534 punkti ja 32-bitine väärtus annab meile 4 294 967 294 andmepunkti. Ehkki ilmselt suurendab see failide mahtu tunduvalt.
Võib olla lihtne amplituuditäpsuse osas kohe mõelda bitisügavuse kohta, kuid olulisemad mõisted, mida siin mõista, on müra ja moonutused. Väga madala eraldusvõime korral jätame väiksema amplituudiga teabe tükid tõenäoliselt ilma või katkeme lainekujude tipud, mis toob kaasa ebatäpsuse ja moonutuse (kvantitatsioonivigu). Huvitav on see, et madala eraldusvõimega faili taasesitamisel kõlab see sageli mürana, kuna oleme tõhusalt suurendanud väikseima võimaliku signaali suurust, mida saab jäädvustada ja taasesitada. See on täpselt sama kui müraallika lisamine meie lainekujule. Teisisõnu, biti sügavuse vähendamine vähendab ka müra põrandat. See võib aidata mõelda ka binaarse valimi osas, kus kõige vähem olulisem bit esindab müra korrust.
Seetõttu annab suurem bittisügavus meile suurema mürataseme, kuid sellele, kui praktiline see reaalses maailmas on, on piiratud piir. Kahjuks on kõikjal taustmüra ja ma ei pea silmas tänaval mööduvat bussi. Kaablitest kuni kõrvaklappide, võimendis olevate transistoride ja isegi teie peas asuvate kõrvadeni on reaalses maailmas maksimaalne signaali ja müra suhe 124dB, mis annab umbes 21-bitiseid andmeid.Erikeel Buster:
DAC- Digitaal-analoogmuundur võtab digitaalsed heliandmed ja teisendab need analoogsignaaliks kõrvaklappidesse või kõlaritesse saatmiseks.
Proovi sagedus - Hertsides (Hz) mõõdetuna on see iga sekundiga hõivatud digitaalsete andmeproovide arv.
SNR- Signaali ja müra suhe on erinevus soovitud signaali ja taustsüsteemi müra vahel. Digitaalses süsteemis on see ühendatud otse bitisügavusega.
Võrdluseks pakub 16-bitine püüdmine signaali ja müra suhet (signaali ja taustmüra erinevust) 96,33dB, samas kui 24-bitine pakub 144,49dB, mis ületab riistvara hõivamise ja inimeste tajumise piire. Nii et teie 32-bitine DAC on tegelikult ainult kunagi võimeline väljastama maksimaalselt 21-bitiseid kasulikke andmeid ja ülejäänud bitid varjatakse vooluringi müraga. Tegelikult on kõige mõõdukama hinnaga seadmetel SNR-iga 100–110 dB, kuna enamik teisi vooluahela elemente tekitab oma müra. On selge, et 32-bitised failid tunduvad juba üsna ülearused.
Nüüd, kui oleme mõistnud digitaalse heli põhitõed, liigume edasi mõne tehnilisema punkti juurde.
Taevatrepp
Enamik heli mõistmise ja väärarusaamadega seotud probleeme on seotud sellega, kuidas haridusmaterjalid ja ettevõtted üritavad visuaalsete näpunäidete abil eeliseid selgitada. Tõenäoliselt olete kõik näinud heli, mida on kujutatud proovisageduse bittisügavuse ja ristkülikukujuliste joonte trepiastmetena. See ei tundu kindlasti eriti hea, kui võrrelda seda sujuva välimusega analooglainekujuga, nii et täpsema väljundlainekuju saamiseks on lihtne välja sirutada peenema välimusega, „siledamad“ trepid.
Ehkki see võib olla üldsusele lihtne müüa, on see tavaline „trepi” täpsuse analoogia tohutu vale suunamine ja ei suuda hinnata, kuidas digitaalne heli tegelikult töötab. Ignoreeri seda.
See visuaalne esitus aga moonutab seda, kuidas heli töötab. Ehkki see võib tunduda räpane, on Nyquisti sagedusest madalamad andmed, mis on pool valimi moodustamise sagedusest, suurepäraselt püütud ja neid saab ideaalselt taasesitada. Pilt sellest, isegi Nyquisti sagedusel, mida võidakse sageli kujutada pigem ruudukujulise kui sileda siinuslainana, on meil täpsed andmed amplituudi kohta konkreetsel ajahetkel - see on kõik, mida vajame. Meie, inimesed, vaatame ekslikult proovide vahelist ruumi, kuid digitaalsüsteem ei tööta samal viisil.
Biti sügavus on sageli seotud täpsusega, kuid tegelikult määratleb see süsteemide mürataseme. Teisisõnu - väikseim tuvastatav või reprodutseeritav signaal.
Taasesituse osas võib see muutuda pisut keerukamaks, kuna on hõlpsasti mõistetav nulljärjestuse hoidmise DAC-ide kontseptsioon, mis lihtsalt vahetab väärtusi valitud proovivoolu kiiruse vahel, andes trepiastme tulemuse. See ei ole tegelikult heli-DAC-de toimimise õiglane kirjeldus, kuid siin olles saame selle näite abil tõestada, et te ei peaks niivõrd nende treppide pärast muretsema.
Oluline on märkida, et kõiki lainekujusid saab väljendada siinuslainete, põhisageduse ja lisakomponentide summana harmooniliste korrutistena. Kolmnurgalaine (või treppide samm) koosneb paaritudest harmoonilistest väheneva amplituudiga. Niisiis, kui meie valimissagedusel on palju väga väikeseid samme, võime öelda, et sinna on lisatud veel harmoonilist sisu, kuid see toimub meie kuuldava (Nyquisti) sageduse kahekordse ja arvatavasti mõne muu harmoonilise lisamisega, nii et me võitsime nagunii ei saa neid kuulda. Lisaks on seda mõne komponendi abil üsna lihtne välja filtreerida.
Kui lahutame DAC proovid, näeme hõlpsalt, et meie soovitud signaal on suurepäraselt esindatud koos täiendava lainekujuga DAC proovivõtu sagedusel.
Kui see vastab tõele, peaksime seda saama kiire katsega jälgida. Võtame väljundi otse tavalisest nulljärjestuse hoidmise DAC-ist ja edastame signaali ka väga lihtsa 2 kaudund tellige madalpääsfilter, mis on seatud poolele meie valimi sagedusele. Ma olen siin tegelikult kasutanud ainult 6-bitist signaali, lihtsalt selleks, et näeksime ostsilloskoobi väljundit. 16- või 24-bitises helifailis oleks signaalist palju vähem müra nii enne kui ka pärast filtreerimist.
Üsna toores näide, kuid see tõestab, et heliandmed on sellel räpase välimusega trepil suurepäraselt loodud.
Ja justkui võlukunstiga kadus trepp peaaegu täielikult ära ja väljund “tasandatakse” lihtsalt madalpääsfiltri abil, mis ei häiri meie siinuslaine väljundit. Tegelikult on kõik, mida oleme teinud, filtreerida signaali osad, mida te poleks niikuinii kuulnud. See ei ole tegelikult halb tulemus ekstra lisakomponentide jaoks, mis on põhimõtteliselt vabad (kaks kondensaatorit ja kaks takistit maksavad vähem kui 5 penni), kuid tegelikult on ka keerukamaid tehnikaid, mida saame selle müra veelgi vähendamiseks kasutada. Veelgi parem, need on standardvarustuses enamikus hea kvaliteediga DAC-ides.
Mis puutub realistlikumasse näitesse, siis on heli jaoks kasutataval DAC-l ka interpolatsioonifilter, mida tuntakse ka kui ülesvalimist. Interpolatsioon on lihtsalt kahe proovi vahepunktide arvutamise viis, nii et teie DAC tegeleb tegelikult palju selle "silumisega" üksi ja palju muud, kui et kahekordistada või neljakordistada valimi sagedus. Veelgi parem, see ei võta täiendavat failiruumi.
Intervallatsioonifiltrid, mida tavaliselt leidub ükskõik millises DAC-is, mis on selle soola väärt, on palju parem lahendus kui suurema proovivõtukiirusega failide kandmine.
Selle tegemise meetodid võivad olla üsna keerukad, kuid sisuliselt muudab teie DAC väljundväärtust palju sagedamini, kui teie helifaili näidissagedus vihjab. See tõukab kuuldamatu trepiastme harmoonilised kaugemale valimissagedusest, võimaldades kasutada aeglasemaid, hõlpsamini saavutatavaid filtreid, millel on vähem kobestamist, säilitades seega bitid, mida me tegelikult kuulda tahame.
Kui soovite teada, miks me soovime selle sisu, mida me ei kuule, eemaldada, on lihtne põhjus see, et selle lisaandme edastamine signaaliahelas allapoole, näiteks võimendis, kulutaks energiat. Lisaks võib sõltuvalt süsteemi muudest komponentidest see kõrgema sagedusega „ultraheli” sisaldus piiratud ribalaiusega komponentide puhul põhjustada suuremat intermodulatsiooni moonutust. Seetõttu tekitaks teie 192 kHz-suurune fail tõenäoliselt rohkem kahju kui kasu, kui nendes failides oleks tõesti ultraheli sisaldav sisu.
Kui vajate veel tõendusmaterjale, siis näitan ka kvaliteetse DAC-i väljundit, kasutades Circus Logic CS4272 (pildil ülaosas). CS4272-l on interpolatsiooniosa ja järsult sisseehitatud väljundfilter. Kõik, mida selle katse jaoks teeme, on mikrokontrolleri abil DAC-i kahe 16-bitise kõrge ja madala proovi söötmine sagedusel 48 kHz, mis annab meile maksimaalse võimaliku väljundlainekuju 24 kHz. Muid filtreerimiskomponente ei kasutata, see väljund tuleb otse DAC-ist.
Selle stuudioklassi DAC-komponendi 24 kHz väljundsignaal (ülemine) ei näe kindlasti tavalise turundusmaterjaliga seotud ristkülikukujuline lainekuju. Proovi sagedus (Fs) kuvatakse ostsilloskoobi allosas.
Pange tähele, kuidas väljund siinuslaine (ülemine) on täpselt poole sageduskella kiirusest (alumine). Puuduvad märgatavad treppide astmed ja see väga kõrgsageduslik lainekuju näeb peaaegu välja nagu täiuslik siinuslaine, mitte plokkliku välimusega ruudukujuline laine, mida turundusmaterjal või isegi juhuslik pilk väljundiandmetes vihjab. See näitab, et isegi ainult kahe valimi korral töötab Nyquisti teooria praktikas suurepäraselt ja me saame taastada puhta siinuslaine, millel puudub igasugune täiendav harmooniline sisu, ilma tohutu bitisügavuse või proovivõtu kiirusega.
Tõde 32-bitise ja 192 kHz sageduse kohta
Nagu enamiku asjade puhul, on kogu kõnepruugi ja 32-bitise taga peidus tõde, 192 kHz heli on midagi, mida saab praktiliselt kasutada, lihtsalt mitte peopessa. Need digitaalsed atribuudid on stuudiokeskkonnas viibimisel tegelikult kasulikud, seega väidetakse, et see toob „stuudio kvaliteediga heli mobiilile”, kuid neid reegleid lihtsalt ei kohaldata, kui soovite valmis pala taskusse pista.
Alustuseks alustame proovivõtu sagedusest. Kõrgema eraldusvõimega heli üks sageli tooneeritud eelis on ultraheliandmete säilitamine, mida te ei kuule, kuid mis mõjutab muusikat. Prügi, enamik instrumente kukub ära enne meie kuulmise sageduspiiri, mikrofoni, mille abil ruumi tühjendatakse maksimaalselt umbes 20 kHz, ja teie kasutatavad kõrvaklapid ei ulatu kindlasti ka kaugele. Isegi kui nad saaksid, ei suuda teie kõrvad seda lihtsalt tuvastada.
Inimese tavaline kuulmistundlikkus on harilikul sagedusel 3kHz ja hakkab 16kHz järel kiiresti minema.
192 kHz proovivõtmine on aga andmete kogumisel müra (see võtmesõna veelkord) vähendamiseks üsna kasulik, võimaldab oluliste sisendfiltrite lihtsamat ehitamist ja on oluline ka kiire digitaalse efekti saavutamiseks. Helispektrist kõrgem ülevõtmine võimaldab meil müra põranda alla surumiseks signaali keskmiselt välja viia. Võite leida, et enamik häid ADC-sid (analoog-digitaalmuundurid) on tänapäeval sisseehitatud 64-bitise ülevalimi või enamaga.
Iga ADC peab eemaldama ka Nyquisti piirist kõrgemad sagedused, vastasel juhul on teil jube kõlav pseudonüüm, kuna kõrgemad sagedused on kuuldavasse spektrisse „kokku volditud“. Suurem vahe meie 20 kHz filtrinurgasageduse ja maksimaalse proovivõtukiiruse vahel sobib paremini reaalmaailma filtritega, mis lihtsalt ei saa olla nii järsud ja stabiilsed kui nõutavad teoreetilised filtrid. Sama kehtib ka DAC-i lõpus, kuid nagu arutasime intermodulatsiooni üle, võib see müra hõlpsamaks filtreerimiseks väga tõhusalt kõrgemale sagedusele tõsta.
Mida järsem on filter, seda rohkem sagedusriba pulbitseb. Diskreetimissageduse suurendamine võimaldab kasutada aeglasemaid filtreid, mis aitab säilitada kuuldavas sagedusalas lameda sageduse reageeringut.
Digitaalses domeenis kehtivad sarnased reeglid filtritele, mida sageli kasutatakse stuudio segamise protsessis. Suuremad proovivõtted võimaldavad saada järsemaid, kiiremini toimivaid filtreid, mille nõuetekohaseks toimimiseks on vaja täiendavaid andmeid. Midagi sellist pole vaja taasesituse ja DAC-de puhul, kuna meid huvitab ainult see, mida te tegelikult kuulete.
32-bitiseks liikudes mõistavad kõik, kes on kunagi proovinud mõnda keerulist matemaatikat kodeerida, biti sügavuse olulisust nii täisarvuliste kui ka ujukomaandmetega. Nagu me arutasime, mida rohkem bitti, seda vähem müra ja see muutub veelgi olulisemaks, kui hakkame ümardamisvigade tõttu digitaalses domeenis signaale jagama või lahutama ning vältida korrutamisel või liitmisel kärbimisvigu.
Täiendav bittisügavus on oluline signaali terviklikkuse säilitamiseks matemaatiliste toimingute tegemisel, näiteks stuudio helitarkvara sees. Kuid me võime need lisaandmed ära visata, kui meisterdamine on lõppenud.
Siin on näide, näiteks võtame 4-bitise valimi ja meie praegune valim on 13, mis on kahendkoodis 1101. Proovige nüüd jagada see neljaga ja meile jääb järele 0011 või lihtsalt 3. Me oleme kaotanud täiendava 0,25 ja see tähendab viga, kui proovime teha täiendavat matemaatikat või muuta signaal tagasi analooglainekujuliseks.
Need ümardamisvead ilmnevad väga väikeste moonutuste või mürana, mis võib koguneda suure hulga matemaatiliste funktsioonide jaoks. Kui aga laiendame seda 4-bitist valimit täiendava teabebittidega, et seda saaks kasutada murdarvuna või kümnendkoha täpsusena, võime tänu täiendavatele andmepunktidele jätkata jagamist, liitmist ja jagamist palju kauem. Nii et reaalses maailmas aitab 16-või 24-bitine valimine ja nende andmete teisendamine uuesti töötlemiseks 32-bitiseks vorminguks müra ja moonutusi säästa. Nagu me juba ütlesime, on 32-bitine kohutavalt palju täpsuspunkte.
Sama oluline on tõdeda, et analoogsesse domeeni naastes pole meil seda ekstra ruumi vaja. Nagu me juba arutasime, on umbes 20-bitine andmeedastus (-120 dB müra) absoluutne maksimum, mida võimalik tuvastada saab, nii et saame helikvaliteeti mõjutamata konverteerida tagasi mõistlikumaks failisuuruseks, hoolimata sellest, et "audiofiilid" on ilmselt kahetsen seda kaotatud andmeid.
Kuid väiksemale biti sügavusele liikudes toome paratamatult kaasa mõned ümardamisvead, nii et tekivad alati mõned väikesed moonutused, kuna need vead ei esine alati juhuslikult. Ehkki see ei ole 24-bitise heli probleem, kuna see ulatub juba kaugelt üle analoogse müra alumise korruse, lahendab tehnika, mida nimetatakse "lahterdamiseks", selle probleemi 16-bitiste failide korral.
Näide kärpimise ja lahutamisega seotud moonutuste võrdlusest.
Selleks randomiseeritakse helinäitaja kõige vähem oluline osa, kõrvaldatakse moonutusvead, kuid tuuakse sisse väga vaikne juhuslik taustmüra, mis jaotub sagedustel. Ehkki müra tutvustamine võib loendurit intuitiivselt näha, vähendab see juhuslikkuse tõttu tegelikult kuuldavate moonutuste hulka. Lisaks, kasutades spetsiaalseid mürakujulisi summutusmustreid, mis kuritarvitavad inimese kõrva sagedusreaktsiooni, suudab 16-bitine summutatud heli säilitada tajutava müra põranda väga lähedal 120 dB, täpselt meie ettekujutuse piirides.
32-bitistel andmetel ja 192 kHz sagedusel on stuudios märkimisväärsed eelised, kuid taasesituse puhul ei kehti samad reeglid.
Lihtsamalt öeldes, laske stuudiotel selle kõrge eraldusvõimega sisuga kõvakettad ummistuda, me lihtsalt ei vaja kvaliteetse taasesituse jaoks kõiki neid üleliigseid andmeid.
Pakkima
Kui olete endiselt minuga, ärge tõlgendage seda artiklit nutitelefoni helikomponentide täiustamise püüdluste täielikuks ärajätmiseks. Ehkki numbrite edastamine võib olla kasutu, on kvaliteetsemad komponendid ja parem vooluahela kujundus mobiiliturul endiselt suurepärane areng, peame lihtsalt veenduma, et tootjad suunaksid oma tähelepanu õigetele asjadele. Näiteks LG V10 32-bitine DAC kõlab hämmastavalt, kuid selle kasutamiseks ei pea te vaeva nägema tohutute helifailide suurustega.
Võimalus juhtida madala takistusega kõrvaklappe, säilitada madala müratasemega DAC-st pistikupesa ja pakkuda minimaalseid moonutusi on nutitelefoni heli jaoks palju olulisemad omadused kui teoreetiliselt toetatud bittügavus või proovivõtu sagedus ning loodetavasti suudame et tulevikus nendesse punktidesse põhjalikumalt sukelduda.
