: архив : архив журнала "Звукорежиссер" : 2003 : #9

Выбор цифрового конвертера
Михаил Сергеев

Без цифрового преобразования сегодня не обходятся ни в одной области аудио. Отношения в мире цифровой аудиотехники сложны, и практикующему звукоинженеру нет нужды вникать во все тонкости построения конвертеров - это сфера разработчиков и технологов. Более того, изменить свойства готового конвертера мы все равно не в силах, так что не стоит забивать себе голову нюансами, однако понимание лишним не будет. Оно поможет при выборе оборудования, не помешает и при его эксплуатации. Итак, двинемся: из аналога - в цифру.

Весь цифровой звук стоит на фундаменте, украшенном именами Найквиста и Котельникова. Что же сделали эти ученые?

В рамках чистой математики было строго доказано, что непрерывное сообщение со спектром шириной ΔF можно восстановить со сколь угодно высокой точностью по значениям отсчетов, если интервал времени между этими отсчетами не превышает Т = ΔF/2. В результате получим исходное сообщение без каких либо потерь, кроме задержки. Значения отсчетов можно передавать (или хранить) в аналоговом виде, а можно перевести "в цифру", подвергнув их еще и квантованию по уровню. Именно такими сообщениями и оперирует цифровая звукотехника.

Рис.1. Структурная схема аналого-цифрового преобразователя

Для преобразования непрерывного сообщения в цифровое необходимо проделать несколько операций: ограничить спектр исходного сигнала, взять отсчеты и произвести квантование по уровню. Все необходимые процедуры может выполнять устройство, структурная схема которого приведена на рисунке 1. ФНЧ подавляет спектральные составляющие сигнала с частотами от половины частоты дискретизации и выше, устройство выборки-хранения (УВХ) фиксирует значения сигнала в нужные моменты времени, кодер U1 преобразует их "в цифру". Тактовый генератор позволяет синхронизовать работу узлов, входной буфер и регулятор усиления приводят сигнал в состояние, пригодное для дальнейшей обработки.

Рис.2. Структурная схема квантователя

При всем разнообразии вариантов, практически все кодеры построены по общему принципу (рисунок 2): непрерывный входной сигнал подан на один вход компаратора, а на второй - сигнал с выхода ЦАП. Сначала контроллер перебирает биты до тех пор, пока сигнал на выходе ЦАП не сравняется с входным, после чего мы получаем цифровой код, соответствующий значению сигнала на входе устройства.

Цикл преобразования не должен быть больше, чем период дискретизации: 23 мкс для Fs=44100 Гц или 5,2 мкс для Fs=192 кГц. Много это или мало? С одной стороны, за 5 микросекунд свет успевает пролететь целых полтора километра. Если же посмотреть с другой стороны, то за этот промежуток времени нужно много чего успеть.

Рис.3. Дискретизация непрерывного сигнала

Шаг первый - фиксация значения входного сигнала в определенные моменты. Нарушения ритмичности выборки, как и неточность фиксации напряжения сигнала, приведут к искажениям. Требования к точности работы устройства выборки-хранения жесткие. Хотим иметь искажения меньше 0,01%, значит с такой точностью надо делать выборку, как по времени, так и по уровню (рисунок 3). Особых проблем с УВХ у разработчиков, похоже, не возникло, во всяком случае, внимания на этом вопросе не акцентировали.

Шаг второй - подборка такого значения цифрового кода, при котором напряжение на выходе ЦАП совпадет с входным. Эта задача разделяется на две составляющие: нужно не только быстро считать (это, кстати, сегодня - не проблема), но и успеть преобразовать код в непрерывный сигнал.

Для классического АЦП с поразрядным уравновешиванием процедуру сравнения выходного сигнала ЦАП с входным нужно проделать столько раз, сколько бит в коде: от 16 х 44100 = 705600 раз в секунду для формата 16/44 до 24 х 192000 = 4608000 для формата 24/192.

Все эти рассуждения справедливы при одном условии: спектр входного сигнала ограничен половиной частоты дискретизации. До сих пор продолжается поиск компромисса: если увеличить частоту выборки, то можно ослабить требования к входному фильтру, а необходимую очистку спектра от лишних высокочастотных составляющих произвести в цифровой форме. Если, например, выборку и преобразование производить на частоте в восемь раз выше требуемой частоты дискретизации, то входной ФНЧ должен подавить сигналы с частотами выше 352,8/2 = 176,4 кГц, то есть в 8,82 раза выше 20 кГц - границы звукового спектра частот. Скромненький аналоговый фильтр третьего порядка вполне справляется с такой задачей, а вся остальная фильтрация выполняется цифровым фильтром, который гораздо проще, технологичнее и дешевле аналогового, и большая часть современных АЦП (и ЦАП, кстати, тоже) построена именно на таком принципе.

Выиграв в одном, теряем в чем-то другом. Повышение частоты дискретизации влечет уменьшение длительности цикла преобразования. При восьмикратной передискретизации вместо 23 получаем всего 3 мкс, а это очень мало. Одно из самых неприятных последствий повышения частоты дискретизации - увеличение искажений, связанных с коммутацией в ЦАП: ток нельзя мгновенно направить в другое русло. Если нет возможности исключить искажения, надо уменьшить их влияние - под таким девизом и был создан однобитный ЦАП. Залог качества - простота устройства: ключ подает на выход отрицательный или положительный импульс. Важнейшее условие, которое надо выполнить для исключения искажений сигнала, - идентичность положительного и отрицательного импульсов (а неидеальность формы большого значения не имеет).

Нет предела совершенству. Чего только не придумывали ученые и инженеры для улучшения качества преобразователей - теперь разобраться в новинках простому звукорежиссеру просто не по силам. И не стоит забивать себе голову полузнанием и умиляться рекламным глупостям.

Относительный уровень шумов входных каскадов должен быть настолько низким, чтобы он был незаметен на фоне искажений квантования: для реализации полноценных 16 бит нужно иметь во входных цепях отношение С/Ш не хуже 100 дБ; замахнувшись на 20 бит, планку нужно передвинуть на отметку 130 дБ, а про 24 бита я уже и не говорю…

Большинство современных устройств обеспечивает отношение С/Ш 100 дБ и более, рекордные модели шагнули за 120 дБ, этого вполне достаточно для решения задач, возникающих в процессе записи звука.

Оперировать этими децибелами надо, кстати, с умом. Если ручку регулятора усиления повернуть влево, то уменьшится влияние шума входного каскада, того, который стоит перед регулятором. Это факт приятный, но удовольствие, как всегда, небесплатное: слишком большой сигнал может перегрузить входной каскад, в результате потенциал устройства реализовать не удастся. Если нет индикатора перегрузки входных цепей, то остается только уповать на везение, или, что гораздо правильнее, установить заранее такие уровни сигналов и коэффициенты передачи в тракте, при которых не возникает перегрузки, но и с шумами все в порядке.

Рис.4. Спектр оцифрованного устройством A синусоидального сигнала с частотой 24120 Гц

Рис.5. Спектр оцифрованного устройством B синусоидального сигнала с частотой 24120 Гц

Рис.6. Спектр оцифрованного устройством C синусоидального сигнала с частотой 24120 Гц.

Рис.7. Синусоидальный сигнал с частотой 600 Гц и уровнем -80 дБ после оцифровки устройством D

Рис.8. Синусоидальный сигнал с частотой 600 Гц и уровнем -80 дБ после оцифровки устройством E

Рис.9. Синусоидальный сигнал с частотой 600 Гц и уровнем -80 дБ после оцифровки устройством F

В студийных АЦП довольно часто устанавливают индикаторы перегрузки входа, при опасном повышении уровня загорается индикатор - вещь просто необходимая в больших комплексах.

Ошибки при регулировке уровней и приводят к повышенному шуму в фонограмме гораздо чаще, чем собственные шумы карты. В итоге покупается еще более профессиональная карта, хотя можно было обойтись простым поворотом ручки на пульте.

Исчерпывающего ответа на вечный вопрос "Что делать?" у меня нет, ограничусь частностями. Искажения при аналого-цифровом преобразовании велики при малых сигналах и высоких частотах, там и будем их искать.

Начнем с высокочастотных сигналов. На вход АЦП подаем синусоидальный сигнал с частотой 24120 Гц, не совсем звуковой, но вполне вероятный.

В первом случае (рисунок 4) именно его мы и видим на спектрограмме, дополнение - "побочные продукты" в полосе от 32 до 35 кГц. Внутри звукового диапазона - чисто, так что есть надежда, что звук пострадает не очень сильно, хотя уверенности в этом нет.

Во втором случае (рисунок 5) картина иная: вместо исходных 24124 мы получили 19980 Гц. Но это еще полбеды, ведь появились неприятные помехи в среднечастотной области спектра, хорошо заметные на слух.

Третий случай (рисунок 6) сюрпризов не преподнес, спектр чист.

Приведенные спектрограммы не дают оснований для исчерпывающих выводов, это только информация к размышлениям: если какое-то измерение не выявило искажений сигналов, можно только предположить, что их вовсе нет, но утверждать нельзя. Если искажения обнаружены хотя бы в одном случае, значит, они есть. Можно ли исключить попадание на вход АЦП сигнала с частотой 24120? Вероятность такого события невелика, но она не равна нулю.

Как обстоят дела в области низких уровней? Проверить нетрудно: с обычного генератора подаем на вход АЦП сигнал с частотой 600 Гц и уровнем -80 дБFS.

Кроме собственно ступенек, равных шагу квантования, на рисунке 7 мы видим еще и импульсы: погрешность АЦП оказалась больше, чем шаг квантования, и искажения сигнала оказываются ощутимо выше теоретического минимума. Побочные продукты, создаваемые "переменой настроения" АЦП попадают в среднечастотную область спектра и для слуха крайне неприятны. И не стоит утешать себя тем, что их уровень невелик.

Неискаженная синусоида не только радует глаз (рисунок 8), но и ухо.

Чем вызваны искажения сигнала в одном канале и скачки в другом (рисунок 9), в данном случае не так важно, но всем понятно, что звук при этом пострадает.

Вопрос шумов АЦП решается просто. Ставим на его вход резистор, имитирующий выходное сопротивление источника сигнала, например, 1 кОм, и включаем запись. Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Какое устройство вам нравится больше? Не торопитесь выбирать… Ответ не столь очевиден.

Пока мы не касались вопросов влия ния комплектующих на качество АЦП. Хотелось бы заполнить этот пробел - да нечем. Снижения собственных шумов и искажений в аналоговых микросхемах достичь нелегко. Специальные технологии изготовления и лазерная подгонка элементов положительно сказываются на параметрах, но отрицательно - на цене. Простой сдвоенный операционный усилитель продается за $0,30, одинарный от производителя с именем стоит в десятки раз дороже, именно такие и ставят в аппаратуру профессионального назначения. Почему? По разным причинам. TL072 выпускается на многих предприятиях, и под одним названием предлагаются подчас совершенно разные микросхемы, а BB - он и есть BB (компания Burr-Brown Corp.- прим. ред.), хоть и попал под крыло TI (компания Texas Instruments - прим. ред.) В итоге дешевле поставить дорогой BB, чем заниматься исследованиями возможностей и свойств дешевых TL072, тем более, что доля комплектующих в общей цене штучных изделий класса Premium совсем мала, гораздо дороже обходится реклама…

Но и увидев внутри аппарата BB или AD (компания Analog Devices, Inc. - прим. ред.) не стоит радоваться, как не нужно огорчаться и расстраиваться, обнаружив пресловутые TL072. Там ведь, кроме довольно крупных микросхем с легко читаемыми названиями, есть масса мелких, но не менее важных деталей. И топология печатной платы играет свою роль, а готовы ли вы ее оценить?

Либо вы доверяете производителю аппарата, либо нет, и ответ на этот вопрос гораздо важнее букв, изображенных на деталях, тем более что успехи полиграфии открыли всем желающим широкие возможности по украшению своей продукции.

Из того, что мы видим глазами, безусловно, имеет значение тип и качество разъемов. Конструктивные ограничения заставляют разработчиков использовать гнезда типа миниджек. И качество контактов, и механическая надежность этих разъемов оставляют желать лучшего. Переход на RCA потенциально позволяет улучшить потребительские свойства, но только при использовании качественных изделий, а не просто "тюльпанов". Лучшие результаты получаются, если для коммутации использовать вынесенную панель с разъемами типа XLR, но и мультикор с D-SUB на концах тоже неплох.

"И что мы имеем в результате, что же собственно хотел сказать автор?" - вправе спросить читатель. Ответ - в результатах измерений. Все измерения проводились на одном АЦП (его производителя и тип называть не буду), цена изделия - чуть меньше $200. В процессе испытаний менялись только параметры преобразования и режимы, и, естественно, результаты.

Итак, "ответы и решения".

Изменение коэффициента усиления входного каскада (К_вх) заметно сказывается на уровне шума, что естественно.

Повышенный уровень шума в вариантах 3 и 6 связан с расширением рабочей полосы частот. Если предположить, что спектральная плотность шума не зависит от частоты, то удвоение рабочей полосы частот приводит к увеличению шума на 3 дБ.

Работа с F_s = 44,1 этому устройству противопоказана, и при F_s = 96 кГц его свойства далеки от идеальных.

Режим 24/96 этот АЦП, конечно, поддерживает, но качество его работы едва ли удовлетворит взыскательного пользователя. И при выборе F_s = 44,1 кГц радости устройство не доставит. Единственный режим, о котором можно серьезно говорить: 24/48.

Выводы: в руках профессионала это изделие вполне способно работать как приличный АЦП, а пользователю неподготовленному стоит задуматься об альтернативных решениях, например, купить АЦП, который во всех режимах будет хорош. А что он недешев - так ведь чудес не бывает…

И не бывает аппаратов, идеальных во всех отношениях; задача профессионала - воспользоваться достоинствами, обойдя недостатки. А это надо уметь, и этому надо учиться. Всегда!