Сегодня нам предстоит обсудить: стоит ли вообще переходить на цифровые источники с высокими частотами дискретизации (96, 192 и так далее кГц) когда у нас уже имеется очень популярный формат CD 44,1 кГц, или вся эта шумиха - лишь ловкие маркетинговые ходы производителей аудиотехники, пытающихся постоянно наращивать свои объемы продаж.

    Но не все свои мрачные тайны вносимых искажений нам выдала коварная Цифра. Придется посмотреть еще и на частотный спектр сигнала.
    В первой статье я говорил о том, что любой сигнал можно представить в виде суммы синусоид. Но тут есть два момента:
    1. Периодический или циклически повторяющийся сигнал любой формы можно представить, как сумму синусоид (гармоник) с разными фазами (говоря грубо, временными задержками) и частотами, кратными (умножить на 2, 3 и так далее)  основной частоте этого сигнала.. Эта частота зависит от длительности цикла повтора.

     2. Непериодический или неповторяющийся сигнал (а это любая фонограмма) имеет бесконечный сплошной спектр (бесконечное количество синусоид «прижавшихся друг», уровень которых, в общем случае, спадает с ростом частоты).

     Приняв за истину то, что среднестатистический (повторяю: среднестатистический) человек не слышит выше 20 кГц, мы уверенной рукой отбрасываем все синусоиды, которые имеют частоту выше этой цифры (ультразвук), и считаем, что наше восприятие звука от этого ничего не теряет.

      Но это – только полдела. Предположим, что мы действительно не слышим ультразвук выше 20 кГц, но, не смотря на это, он, все-таки, играет свою губительную роль в черном деле искажения исходного (на входе аудиокарты) звука при превращении последнего в цифру. И сейчас мы посмотрим, как это происходит.

      Наш исходный сигнал имеет непериодическую форму (то есть форма его волны никогда не повторяется) и, следовательно, у него - бесконечный сплошной спектр. Все синусоиды, находящиеся выше 20 кГц мы назвали ультразвуком. Причем под ультразвуком на входе звуковой карты надо понимать не только сигнал, порожденный акустической волной, который практически полностью теряет все свои ультразвуковые составляющие прямо в микрофоне или звукоснимателе гитары, но к ультразвуку добавляются разнообразные наводки на высоких частотах, которые успели примешаться к исходному сигналу при прохождении им электрических цепей усилителей, АЦП и пр. (вот хотя бы помехи от Вашего компьютера).

     Что происходит теперь при аналогово-цифровом преобразовании сигнала со спектром от 0 Гц до бесконечности без принятия специальных мер? Все ультразвуковые синусоиды с частотами выше половины частоты дискретизации попадают (смещаются) в слышимый диапазон.

     На жаргоне цифровой обработки сигналов это называется «заворотом» спектра. И вместо чистого звука от 0 до 22 кГц (половины частоты дискретизации) мы имеем кашу из чистого звука и искаженного ультразвука (вся часть спектра, расположенная выше 22 кГц). Ультразвук смещается по частоте в область ниже половины частоты дискретизации и спектр его зеркально разворачивается: верхние частоты оказываются внизу, а нижние - вверху.

     Как пример можете себе представить, дуэт баритона и тенора, которые сначала оба поют в тональности ля. А теперь представьте, что вы услышите, если бас продолжает петь в тональности ля, а тенор начинает петь в тональности соль диез, да еще и слова поет задом наперед.

    Как борются с этим неприятным эффектом и имеет ли успех тяжелая борьба с техникой?

      Перед тем, как оцифровать сигнал, с помощью аналогового фильтра низких частот (который пропускает через себя только низкие частоты) удаляют все ультразвуковые составляющие. И только после этого производят преобразование в цифру.

     Однако, есть одно НО. Идеальных фильтров – нет и в ближайшее время, похоже, не будет. А тот спектр, который получается после фильтрации, все равно содержит ультразвуковые составляющие, мощность которых (уровни синусоид на соответствующих частотах) плавно спадает до 24-30 кГц (зависит от качества фильтра и цены звуковой карты). Иными словами, фильтр все равно полностью не искореняет ультразвук.

       

     Потом все эти никому не нужные составляющие с частотами выше 22 кГц, нагло просочившиеся через фильтр, сохраняются в цифровой записи и становятся слышны нам, цинично накладываясь на наш чистый непорочный звук от 0 до 22 кГц.

     Как же нам поступить в этом случае? Хорошая новость: при качестве имеющихся у нас фильтров, ультразвуковыми составляющими выше 30-40 кГц на его выходе уже можно пренебречь в виду их малой мощности.

     У фильтра низких частот есть такой параметр, как частота среза. Это – максимальная частота, выше которой фильтр, теоретически, не пропускает звук. Но на самом деле эта граница весьма и весьма условна, так, как она устанавливается на той частоте, где ослабление проходящего через фильтр сигнала достигает определенного порога. Частотная характеристика фильтра низких частот (зависимость ослабления сигнала от частоты) имеет весьма плавную форму, постепенно все более и более ослабляя сигнал с ростом частоты.

     Частотная характеристика фильтра, как снежная горка – если бы у нее имелась резкая граница (на частоте среза), то горка бы заканчивалась обрывом и санки в конце ее резко бы клевали носом в землю, останавливаясь почти мгновенно. А наша горка (как и самый лучший в мире аналоговый фильтр) – все равно плавная и мы также плавно съезжаем все дальше и дальше в область ультразвука.

     Чем выше входная частота синусоиды от частоты среза фильтра, тем хуже он пропускает ее. Поэтому у частот 30-40 кГц суммарная мощность (сумма мощностей всех синусоид в этом диапазоне частот) значительно меньше суммарной мощности синусоид в диапазоне 22-30 кГц.

     По этой причине, если частоты 30-40 кГц и сместятся в область слышимых частот, то будут менее заметны, чем те которые лежат от 22 (половина частоты дискретизации CD) до 30 кГц. И с ростом частоты фильтр работает все лучше и лучше.

     Поэтому нам остается только увеличить частоту дискретизации таким образом, чтобы суммарная мощность ультразвуковых частот, лежащих выше половины частоты дискретизации, и пролезших через фильтр, была ничтожно мала.

    Мощность этих паразитных синусоид после фильтра, как мы рассмотрели выше, с ростом частоты, все-таки, спадает. И выше частоты 48 кГц (половина от 96 кГц) ультразвук практически отсутствует. Следовательно, в процессе «оцифровки» при частоте дискретизации 96 кГц уже, практически, нечему будет попадать в слышимый спектр частот.

    Но теперь следующий вопрос: почему, если все так хорошо с 96 килогерцами, нам нужно еще лезть на частоты дискретизации 192 и выше килогерц?  

    Вспомним, что в статье Откуда берется качество винила? упоминалось о «ступеньках», возникающих при оцифровке сигнала за счет того, что сигнал измеряется с разрывами во времени и само значение измерений - тоже ступенчато. Кроме того в цифрово-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователях наблюдается такое явление, как «дрожание» фазы (джиттер). В чем оно проявляется? А в том, что измерения делаются не строго равномерно, а с некоторыми задержками или опережениями во времени.

    Причиной джиттера прежде всего становится нестабильность тактирующего генератора АЦП и ЦАП звуковой карты. Этот генератор задает моменты измерений. Также к джиттеру приводят помехи (наводки).

    Если бы АЦП при записи и ЦАП при воспроизведении имели бы абсолютно одинаковый джиттер (расстояния между измерениями были бы одинаковыми при записи и при воспроизведении), то не было бы никакой беды. Но  временное положение отсчета (фаза) все время дрожит и отклоняется, как ему взбредет в голову. Это, примерно, как петь, сидя на телеге едущей по булыжной мостовой или наливать в рюмку дорогой коньяк трясущимися руками.

     Так вот, ступеньки и джиттер (хотя с ними тоже можно бороться) порождают шумы (искажения сигнала при оцифровке). Чем выше разрядность отсчета АЦП и ЦАП (16, 24, 32 и так далее бит), тем ближе восстановленное значение к оригиналу. Чем выше частота дискретизации (меньше расстояние между измерениями), тем больше измерений приходится на каждый маленький участочек сигнала. За счет большого количества измерений, в среднем он точнее (с меньшими шумами) запоминается и восстанавливается. Это примерно, как если Вы стреляете в мишень из пистолета, то в десятку можете попасть 2 патронами из 6. А если в Ваших руках автомат, то, промахнувшись пятьюдесятью пулями, попадете в цель двадцатью. Если кто и выживет от двух пуль, то от 20 – точно ноги протянет. Таким образом, и 192 кГц попадает в яблочко несколько лучше, чем 96, а тем более - 44.

    Производители поговаривают уже о частотах 384 и выше кГц. Но послушать и оценить такой формат пока еще не на чем.

Резюме:

     Итак нужен ли переход на высокие частоты дискретизации или нет? Вопрос неоднозначный. Повышение качества звучания - вопрос комплексный, в котором задействованна и частота дискретизации, и качество фильтра низких частот, и стабильность опорного генератора частоты дискретизации, и точность измерения / восстановления уровня АЦП / ЦАП. Механическое повышение частоты дискретизации не даст выигрыша при отсутствии работы по улучшению в остальных направлениях. И может оказаться, что аналоговый выход профессиональной звуковой карты с максимальной частотой дискретизации 48 кГц звучит лучше, чем у ширпотребовской встроенной "звуковухи" с частотой дискретизации 192 кГц.

Обсудить в конференции