Тестируем по новой методике

Михаил Сергеев

В прошлом номере М. Сергеев изложил свой взгляд на необходимость внесения изменений в измерения параметров цифровой аудиотехники и интерпретацию результатов («Пора изменять измерения?»). В этом номере автор приводит примеры измерений по новой методике. Читатель наверняка заметит разницу между результатами традиционных измерений и измерений по методике, предложенной М. Сергеевым. В ближайшее время редакция намерена провести «круглый стол» по проблеме измерений параметров аудиооборудования с участием наших авторов.

M-Audio TAMPA

Прежде, чем рассказывать о результатах тестирования, обозначу свою позицию.

1. Основа музыки — эмоции и чувства, но существуют они в головах исполнителя и слушателя. «Соединяет» эти головы электроакустический тракт, по которому передается только сигнал, и следить мы будем только за искажениями сигнала.

2. В классический набор параметров качества звукотехнического оборудования, которыми оценивают искажения сигнала, входят: отношение «сигнал/шум», полоса частот + неравномерность АЧХ, THD + N, зависимость THD + N от уровня сигнала. Именно их вы и видите в описаниях и результатах большинства тестов. Только эти цифры малоинформативны: измеряемые искажения гораздо ниже порогов слуховой заметности даже в руганном-переруганном SB Live.

Понятно, что гоняться за сотыми долями децибела и тысячными процента бессмысленно — искажения надо сравнивать со свойствами слуха, а не с возможностями измерительных приборов. Если коротко, то мы видим последствия похода в «чужой монастырь» со своим метром. Набор параметров качества и допустимые их значения были разработаны для аналоговой аппаратуры, механический перенос их на «цифру» и привел к таким результатам. Почему, например, не измеряют у акустических систем переходное затухание, коэффициент детонации или уровень рокота? Но почему до сих пор в описании цифровых аппаратов можно встретить строчку «Wow + Flatter — ниже порога измерений»? И может ли влиять на звучание спад АЧХ на один децибел на частоте 40 кГц?

Что делать, как оценить качество «цифры»? Давайте попробуем разобраться на конкретном примере.

Итак — аппарат TAMPA от известного производителя M-Audio: микрофонный усилитель с компрессором, аналого-цифровым преобразователем и Temporal Harmonic Alignment. Конструктивно TAMPA — рэковый прибор высотой 2U с внешним блоком питания.

На передней панели: вход — универсальное гнездо XLR/джек; регулятор чувствительности (плавный и ступенчатый аттенюатор 20 дБ); переключатель входного сопротивления (300/600/1200/2400 Ом); органы управления компрессором; тумблер включения фильтра высоких частот; два стрелочных прибора (индикаторы уровня сигнала и степени компрессии); индикатор перегрузки; переключатель частоты дискретизации (44,1/48/88,1/96 кГц).

На задней стенке размещены выходы (аналоговый, S/PDIF и AES/EBU), и гнездо для подключения питания.

Схему устройства производитель не прилагает, но с помощью простейшего тестера легко установить: «земли» цифровой и аналоговой частей прибора разделены, и ни одна из них не соединена с корпусом — именно так и должно быть в профессиональной аппаратуре.

Исключены «земляные петли», и результат не заставил себя ждать: уровень фона ничтожен. Результаты измерения уровня шума по среднеквадратичному значению (RMS) во всей полосе частот приведены в таблице 1.

Таблица 1. Уровень собственных шумов TAMPA
	Частота дискретизации 48 кГц		Частота дискретизации 96 кГц
Режим	микрофон	инструмент	микрофон	инструмент
Максимальное усиление, дБFS	-81,8	-85,3	-79,5	-83,4
Отключен аттенюатор, дБFS	-98,1	-99,5	-95,5	-97,5
Минимальное усиление, дБFS	-100,7	-100,7	-98,7	-98,7

При максимальном усилении измерения с микрофонного входа дают уровень шума почти -80 дБFS в полосе 48 кГц — это очень хороший показатель. При частоте дискретизации 48 кГц полоса сужается до 24 кГц, уровень шума снижается за порогом в -100 дБ.

В режиме максимальной чувствительности (рисунок 1) преобладает шум входных каскадов, при минимальной — проявляется влияние наводок от сети. В целом же уровень шума близок к потенциальному минимуму: приведенное к входу TAMPA напряжение шума оказалось равным всего 0,8 мкВ.

Подключение TAMPA к тракту студии не вызовет трудностей даже у начинающего музыканта, но специалист сделает это лучше. Соединив конвертер с компьютером первым попавшимся шнуром RCA-RCA, вы услышите звук, но не факт, что весь звук. Потери в «цифре» не так заметны, как фон или ограничение сигнала, но пренебрегать ими не следует. Неграмотное соединение корпусов и нулей сигнальных проводов тоже окажет влияние на качество записи, опытный инсталлятор легко обойдет эти трудности.

Распайка проводов заметно влияет на защищенность от помех, в качестве доказательства приведу две спектрограммы (рисунок 2). Верхний график — экран кабеля соединен только с входом конвертера, а нижний график — еще и с корпусом источника сигнала. Ошибка экранирования заметно увеличивает уровень шума, но и это еще не все. На рисунке 3 мы видим, насколько возросли наводки от импульсных источников.

О собственных шумах конвертера TAMPA можно судить по спектрограммам (рисунок 4). В режиме максимального усиления (верхний трек) мы видим обычный белый шум усилителя. В режиме минимального усиления эти шумы исчезают, остается фон и какие-то непонятные холмики — вероятно, какие-то артефакты вычислений.

Рис. 1. Шумы и наводки при максимальном (верхний график) и минимальном (нижний график) усилении. Увеличено в 1000 раз	Рис. 2. Влияние экрана на уровень фона и помех. Верхний график — правильное соединение, нижний — экран соединен еще и с корпусом источника сигнала
Рис. 3. Влияние экрана на помехозащищенность. Нижний график — правильное соединение, верхний — экран соединен еще и с корпусом источника сигнала	Рис. 4. Спектр собственных шумов конвертера. Верхний график — режим максимального усиления, нижний — минимальное усиление

Рис. 5. Статистика сигналов левого и правого каналов

После испытаний, приводя в порядок материалы, я обнаружил любопытный факт. TAMPA — аппарат одноканальный, но установив в звуковом редакторе режим «стерео», получаем два трека, сигналы в которых немного различаются (рисунок 5). В чем причина разницы, если сигнал раздваивается только в цифровой части тракта?

При частоте дискретизации 96 кГц в звуковом диапазоне частот проблем нет. «Пирамидка» в районе 33 кГц — результат наводки на кабели и генератор. Вблизи от FS/2 (48 кГц) видно наложение спектров (рисунок 6). Чудес не бывает: это у математиков полоса ровно в два раза меньше частоты дискретизации, а у физиков есть еще и такое понятие, как реализуемость. Вот она и подвела: при приближении к потенциалу проявились ограничения.

Рис. 6. Преобразование широкополосного сигнала

Возможность переключать входное сопротивление, предусмотренная в конвертере TAMPA, важна при работе с динамическими микрофонами. Независимо от наличия согласующего трансформатора, при движении катушки в магнитном поле возникает ЭДС и течет ток. Чем больше сопротивление нагрузки, то есть входа усилителя, тем меньше демпфирована подвижная система микрофона. Изменяется входное сопротивление — изменяются свойства электроакустического преобразователя. Иногда производитель микрофона рекомендует работать с вполне определенным входным сопротивлением, иногда решение придется принимать самостоятельно, выбирайте: 300, 600, 1200 или 2400 Ом.

Можно бы, конечно, напустить тут «научного тумана», дать эквивалентную схему микрофона, нарисовать сотню графиков, показывающих, как и на что именно влияет изменение сопротивления. Однако гораздо проще пощелкать тумблером на передней панели конвертера TAMPA и, почувствовав разницу, выбрать такое сопротивление, при котором звук предпочтителен.

Продолжим измерения. Выяснилось, что защищенность микрофонного входа от синфазной помехи превышает 60 дБ во всем рабочем диапазоне частот; за его пределами никаких неприятностей обнаружено не было. Параметры не великолепные, но достаточные. Зато вход прекрасно защищен от синфазных помех большого уровня — даже 10 В (максимум генератора) не приводили ни к каким неприятным последствиям.

Измеритель уровня в аппарате TAMPA своеобразный. Перегрузка конвертера начинается, когда на индикаторе прибора -1 дБ. И стрелочный измеритель уровня, и индикатор перегрузки инерционны: при перегрузке 3 дБ светодиод Clip реагирует только на сигнал длительностью 10 мс (трек 35 с тест-диска журнала «Звукорежиссер» «Контроль и настройка оборудования в радиовещании и звукозаписи»). Логика разработчика понятна: предполагается, что аппаратом пользуется слушающий и слышащий профессионал, для которого звук важнее, чем положение стрелки и яркость светодиода.

Конвертер имеет два выхода: AES/EBU и S/PDIF. Безусловно, AES/EBU предпочтительнее, хотя словами разницу передать трудно: чуть точнее локализация, чуть яснее задний план, но этого «чуть» вполне достаточно. Вероятно, сыграла свою роль худшая помехозащищенность коаксиального кабеля по сравнению с витой парой в экране.

При работе с AES/EBU и S/PDIF источник сигнала (в нашем случае — конвертер) синхронизован внутренним генератором, а приемник подстраивается под него. В результате качество записи зависит не только от АЦП, но и от приемника сигнала. Теоретически существует два пути: синхронизация тактового генератора в приемнике сигнала по источнику и SRC (то есть преобразование частоты дискретизации). Второе решение используется чаще.

Теоретически возможности SRC позволяют записать любой приходящий сигнал, будь то 96, 32 или 48, с заданной частотой дискретизации, например, 44,1. Практически процедура SRC может быть реализована разными способами: от полного корректного пересчета, требующего огромных вычислений, до простейшего добавления или пропуска отсчетов или линейной интерполяции — в этом случае потери оказываются существенными. Это означает, что подключать выход TAMPA к первому попавшемуся разъему с надписью AES/EBU или S/PDIF не следует. Только так, с тщательностью и аккуратностью, может быть реализован весь потенциал тракта.

В TAMPA имеется и аналоговый компрессор. Слабую заметность его работы следует отнести к достоинствам. Мы ждем обычно от компрессора именно компрессии, сопровождаемой неизбежными искажениями. А ведь задуман-то он для другого: удержать уровень сигнала в том диапазоне, где минимальны искажения, связанные с оцифровкой. Потенциально компрессор в TAMPA перекрывает диапазон 20 дБ, но не следует при записи так сильно обрабатывать сигнал. При средней степени компрессии (около 10 дБ) получаем компромисс: и потенциал АЦП хорошо используется, и потери, связанные с компрессией, минимальны. По звучанию этот компрессор напомнил мне студию прошлого века: звукорежиссер за пультом, глядя в партитуру, мягко и нежно подправляет фейдер.

Итак, к объективным параметрам претензий нет — настала пора вплотную заняться звуковыми качествами. Использовалась такая конфигурация тракта: Audigy-2 (FS = 48 и 96 кГц), телефоны Beyerdynamic DT990, акустические системы Yamaha NS10 с усилителем того же производителя.

Для первого опыта в качестве источника сигнала была взята просто гитара с пьезозвукоснимателем. Многое удалось услышать в записи: и то, что строй гитары не вполне чист, и что струны пора бы заменить, и что техника звукоизвлечения хромает. Будто посмотрел через хороший микроскоп…

Затем к прибору был подключен динамический микрофон Shure SM58. Мелких деталей в звуке осталось немного — только генеральная линия, но зато спрятались слабые места инструмента и огрехи исполнения.

Затем был подключен микрофон AKG C3000. Испытания проводились в обычной жилой комнате. С научной точки зрения это не совсем хорошо, но с практической — как раз наоборот. Мой слух изучил акустику этого помещения вдоль и поперек. Подключаю телефоны, все слышно: и то, что происходит рядом с микрофоном (пальцы щиплют струны), на среднем плане — «голос помещения», стрекот компьютера, вдали — городской шум. Разрешение очень высокое, но не могу назвать звук абсолютно нейтральным, хотя наиболее вероятной причиной тому — свойства микрофона. Замена на Shure SM7 подтвердила предположение: исчезла жестковатость, но уменьшилось и разрешение, задние планы пространства стали как бы затенены.

Экспериментов было много, но важна тенденция: и Shure SM7, и AKG 3000 — это только начало, микрофоны ниже качеством включать в TAMPA бессмысленно. Так что, покупая конвертер TAMPA, будьте готовы к тому, что события будут развиваться по сценарию Жванецкого: исправили зрение — теперь изображение в зеркале требует замены.

Вывод

Микрофонный предусилитель с компрессором и аналого-цифровым преобразователем TAMPA украсит любую профессиональную студию. Но надо понимать, что, хотя к техническим характеристикам и звуку конвертера с предусилителем претензий нет, не бывает идеальной аппаратуры — бывает подходящая.

M-Audio FireWire 410

FireWire 410 — это также внешний модульный прибор от того же производителя, в нем используется скоростной интерфейс FireWire.

При частоте сигнала 1 кГц подавление синфазной помехи у FireWire 410 составляет 88,2 дБ. Очень хороший показатель, хотя с понижением частоты защищенность и падает до 60 дБ на частоте 25 Гц. Если напряжение синфазной помехи превышает 1 В, то индикатор уровня встает на красное — вход перегружается.

Уровень собственного шума АЦП при максимальном усилении равен -70,3 дБFS, при минимальном — -93 дБFS. Обратите внимание — приведена мощность шума во всей полосе частот, без взвешивающего фильтра. Дополнительную информацию о шумовых свойствах конвертера дает анализ его спектра. При максимальной чувствительности мы видим практически белый шум (рисунок 7), при уменьшении усиления остаются только какие-то отдельные частоты, но шансов услышать такие помехи слух нам практически не оставляет.

Рис. 7. Спектр шума микрофонного входа в режиме максимального (верхний график) и минимального (нижний график) усиления

Показательна форма шума сигнала (рисунок 8): при максимальном усилении мы видим обычный шум, при минимальном — ступеньки, в точности равные одному шагу квантования при разрешении 16 бит, даже когда в звуковом редакторе установлен режим 24 бит.

Посмотрев на спектр сигнала за пределами звукового диапазона, обнаруживаем картину гораздо менее презентабельную (рисунок 9) — видны помехи от импульсных источников питания. В испытаниях использовались LCD-мониторы, если же работать с ЭЛТ-монитором, то помех оказывается гораздо больше. Сами по себе эти помехи не слышны, но последующая обработка вполне может передвинуть их спектр в звуковую область частот, и возможно ухудшение звучания.

На выходе ЦАП FireWire 410 осциллограф показывает наличие импульсов с периодом следования около 7 мкс, амплитуда составляет около 1 мВ. Попав на вход следующего устройства, эти импульсы способны привести к неприятным последствиям.

Спектрограмма (рисунок 10) получена, когда сигнал с аналогового выхода конвертера 410 подавался на его же аналоговый вход, и нет проблем с «землей». Никаких помех нет и в помине, нет и гармоник, все лежит ниже границы в -100 дБ. Результат неудивительный — АЦП и ЦАП с хорошими объективными характеристиками делать научились.

Если воспроизвести и записать сигнал с частотой 21,5 кГц, то увидим в спектре дополнения (рисунок 11) — так проявляются огрехи цифрового фильтра. Именно этот тест показывает, насколько близок реальный конвертер к идеальному, или, напротив, далек.

Рис. 8. Форма шумового сигнала в режиме максимального (верхний график) и минимального (нижний график) усиления	Рис. 9. Спектр сигнала, записанного с выхода аналогового генератора
Рис. 10. Спектр сигнала на выходе FireWire 410. В качестве АЦП использован вход этого же конвертера, частота тестового сигнала 1 кГц	Рис. 11. Спектр сигнала на выходе FireWire 410. В качестве АЦП использован вход этого же конвертера, частота тестового сигнала 21,5 кГц

Так куда этот аппарат можно употребить? Для записи симфонического оркестра я бы посоветовал поискать что-то более звучащее.

Если же речь идет о домашней студии начинающего музыканта, то FireWire 410 — как раз то, что нужно. Есть входы для микрофонов, инструментов, поддерживается MIDI-интерфейс. Скромный программный пульт умеет выполнять основные операции, так что комплекта FireWire 410 + PC + микрофон + MIDI-клавиатура вполне хватит и для репетиций, и для изготовления демодиска.

Есть и еще один плюс у FireWire 410: возможность организации мобильной студии. Ноутбук, коробка с микрофонами и FireWire 410 — этого хватит для записи на выезде.

Модель FireWire 410 покажется интересной и работникам радио. Ее качество — вполне достаточное для вещания, а наличие балансных выходов упрощает подключение. Кроме того, именно в студии радиовещания проявляется полезность многоканального выхода. Одна пара каналов всегда занята — с нее идет сигнал в эфир. Нужно иметь еще пару выходов, если творческие задумки требуют ручного микса. Для подслушки (PFL) тоже нужен отдельный выход, итого — три пары. А дальше — считайте деньги (сколько придется заплатить за три двухканальных карты) и учтите возможные конфликты этих карт между собой в компьютере.

Производитель предлагает в качестве минимальной конфигурации P3 500 МГц. Оказалось, что 410 начинает работать с машиной, гораздо менее производительной (Celeron 333 МГц), но я бы рекомендовал не опускаться ниже P4 1500 МГц — ведь нужны еще ресурсы на обработку сигналов.

Итог

FireWire 410 — мобильное устройство ввода-вывода звуковых сигналов для компьютера. Современный скоростной интерфейс, внешнее питание. Претензий к объективным параметрам нет. Субъективно качество звучания несколько «замыленное», пространственное разрешение не высокое.

Прекрасное бюджетное решение для начинающих музыкантов и небольших студий, ориентированных на электронную музыку.