Dynamický rozsah všech digitálních formátů, včetně DSD - mýty a realita

Zvažte takové vlastnosti jako: skutečný dynamický rozsah pro formáty DSD, fázový šum a chyby vzorkování pro všechny digitální formáty obecně.

Charakteristiky zařízení pro reprodukci zvuku často zahrnují takové charakteristiky, jako jsou:

• Dynamický a frekvenční rozsah
• Poměr signálu k šumu
• Atd.

Ale hodně chybí.

• Co je diskretizace;
• Formát CD a související formáty Flac - skutečný dynamický rozsah;
• Výsledek čistoty záznamu ve formátu CD;

• Diskretizace ve Flac;
• Formáty WAVE, s extrémně vysokou vzorkovací frekvencí;

• Diskretizace formátu DSD;
• DSD s vyšší vzorkovací frekvencí;

• Shrnutí, 3 důležité závěry a podstata článku;

Co je to diskretizace

Vzorkování diskrétní signál v průběhu času (na rozdíl od kvantizace, která odděluje amplitudy signálů). Každý ví, jaká je bitová hloubka zvuku a DAC (ADC). Čím vyšší je bitová hloubka zvukových informací a DAC (ADC), tím vyšší: kvalita, lepší dynamický rozsah a poměr signál-šum.

• Wikipedia - diskretizace;

Jen málokdo si myslí, že kvantizace na časové ose, nebo přesněji řečeno - diskretizace, také přispívá k dynamickému rozsahu a přináší digitální šum (o této síti je o síti psáno málo)..

Chyba vzorkování v tomto smyslu je podobná chybě kvantizace - čím vyšší je vzorkovací frekvence a tím více informací pro digitální reprezentaci signálu, tím lepší je kvalita. Nejčastěji jsou milovníci hudby omezeni pouze na informace o (teoretickém) frekvenčním rozsahu, ale marně! =)

Formát CD a související formáty Flac - dynamický rozsah

Nejprve se podívejme na váš oblíbený formát CD a související formáty Flac.. Dynamický rozsah se počítá velmi jednoduše - je to 6 dB na 1 bit informace, v těchto formátech se používá pulzní kódová modulace. Pro kompaktní disk je tedy dynamický rozsah 16 bitů x 6 dB = 96 dB. V důsledku toho se velikost chyby kvantizace rovná hodnotě nejméně významného bitu, a pro 16bitový dynamický rozsah bude digitální (teoretický) kvantizační šum -96 dB. Prověřili jsme kvantizaci amplitudy a to nejsou všechny charakteristiky digitálního zvuku.

Ve svých předchozích recenzích jsem již hovořil o problémech spojených s diskretizací zvuku na CD a jeho skutečném frekvenčním rozsahu. Dovolte mi vám to připomenout. Rozsah CD (teoretický) je 20 Hz - 20 000 Hz.

Při nižších frekvencích je vše v pořádku. Problémy se vyskytují při digitalizaci vysokých frekvencí. Faktem je, že perioda maximální (podle Kotelnikov-Shannonovy věty nebo známé jako „Nyquistova frekvence“) frekvence 22050 Hz bude zaznamenána pouze dvěma číslicemi. Toto je vzorkovací frekvence, která se rovná 44100 Hz CD. Pokud porovnáme množství dostupných informací pro záznam maximální frekvence 22050 Hz a minimální frekvence pro CD 20 Hz, přijde na mysl velmi důležitý a jednoduchý závěr - zaznamenávají se různé frekvence s různou kvalitou.

Je také zřejmé, že pokud je nižší frekvence zaznamenána s vysokou kvalitou, pak vyšší frekvence budou logicky zaznamenány s nízkou kvalitou. Jedinou otázkou je, jak špatná je tato kvalita..

Pro výpočet množství vzorkovacího šumu je vhodný vzorec z kvantování odhadu šumu. Nejprve musíte znát hodnotu periody (celé číslo) požadované frekvence a vypočítat požadovaný počet bitů kódujících fázi frekvence. Níže uvedená tabulka ukazuje frekvence s oktávovým poklesem plus nejnižší kmitočet (kódovaný, jak si vzpomínáme s nadměrnou kvalitou), potom následuje hodnota periody alespoň 2p, dále počet informačních jednotek kódujících jednu frekvenční periodu a požadovanou bitovou hloubku pro kódování jedné periody při této vzorkovací frekvenci (omezení počtu bitů na fázi je pouze vzorkovací frekvence). Nakonec je uvedeno, co potřebujeme - hodnota (teoretická) fázového šumu (chyba vzorkování) pro určitou frekvenci:

CD 44100 Hz 16bit

• 22050 Hz 2p (lb) -6dB
• 11025 Hz 4p (2b) -12dB
• 5512 Hz 8p (3b) -18dB
• 2756 Hz 16p (4b) -24dB
• 20 Hz 2205p (11b) -66 dB

Takže hodnoty vzorkovacího hluku upřímně odrazují =). Ne bez důvodu tyto vlastnosti výrobci zařízení vůbec neuvádějí.

Celková čistota CD

Ve formátu CD se čistě zaznamenávají pouze nízké frekvence s poměrem signál-šum pod -45 dB. Průměry budou zaznamenány již s vysokou úrovní fázového šumu. Při vysokých frekvencích nezůstane prakticky nic ... Dovolte mi připomenout, že kvantizační šum pouze -96 dB je to, co výrobci zařízení uvádějí v popisu formátů.

Podívejme se, co máme ve formátech s vysokým rozlišením, začněme Flac:

Flac 96000 Hz 24 bitů

• 24000 Hz 4p (2b) -12dB
• 12000 Hz 8p (3b) -18dB
• 6000 Hz 16p (4b) -24dB
• 3000 Hz 32p (5b) -30dB
• 20 Hz 4800p (13b) -78dB

Flac 192000 Hz 24 bitů

• 24000 Hz 8p (3b) -18dB
• 12000 Hz 16p (4b) -24dB
• 6000 Hz 32p (5b) -30dB
• 3000 Hz 64p (6b) -36dB
• 20 Hz 9600p (14b) -84dB

Je vidět, že se zvyšující se frekvencí se kvalita zlepšuje, ale ne moc.

Kromě toho zvažte několik formátů WAVE s extrémně vysokou vzorkovací frekvencí

WAVE 384000 Hz 32 bitů

• 24000 Hz 16p (4b) -24dB
• 12000 Hz 32p (5b) -30dB
• 6000 Hz 64p (6b) -36dB
• 3000 Hz 128p (7b) -42dB
• 20 Hz 19200p (15b) -90 dB

WAVE 768000 Hz 32 bitů

• 24000 Hz 32p (5b) -30dB
• 12000 Hz 64p (6b) -36dB
• 6000 Hz 128p (7b) -42dB
• 3000 Hz 256p (8b) -48dB
• 20 Hz 38400p (16b) -96 dB

Výsledky jsou již mnohem lepší, ale stále nejsou dokonalé. =) Je jasné, že formáty s ultravysokými kmitočty stále nejsou k dispozici téměř každému.

Formát DSD

Nyní věnujme pozornost nejkontroverznějším a kvalitnějším formátům DSD používaným v SACD. Nejprve se zde nepoužívá modulace pulzního kódu, ale modulace hustoty a pulsu. To znamená, že celý signál v amplitudě i čase je kódován proudem jednobitových hodnot..

Z toho vyplývá, že kvantování je symetrické k diskretizaci, a proto bude kvantizační šum roven šumu vzorkování. Zajímavé je jak toto, tak další (v tomto případě je to jedna velikost).

Začněme ... DSD

DSD64

• 2,822,400 Hz 1 bit
• 22050 Hz 128p (7b) -42dB
• 11025 Hz 256p (8b) -48dB
• 5512 Hz 512p (9b) -54dB
• 2756 Hz 1024p (10b) -60dB
• 20 Hz 141120p (18b) -108dB

Výsledky výpočtu jsou působivé - jedná se o skutečně kvalitní formát! U vysokých kmitočtů je relativně nízká hladina šumu, u středních kmitočtů je tento indikátor ještě lepší, a u nízkých kmitočtů je kvalita obecně mimo chválu. Při vysokých frekvencích zanechává počáteční formát DSD i WAVE 768 000 Hz!.

Zbývá zvážit formát DSD s vyšší vzorkovací frekvencí

DSD128

• 5,644,800 Hz 1 bit
• 22050 Hz 256p (8b) -48dB
• 11025 Hz 512p (9b) -54dB
• 5512 Hz 1024p (10b) -60dB
• 2756 Hz 2048p (11b) -66dB
• 20 Hz 282240p (19b) -114dB

DSD256

• 11,289,600 Hz 1 bit
• 22050 Hz 512p (9b) -54dB
• 11025 Hz 1024p (10b) -60dB
• 5512 Hz 2048p (11b) -66dB
• 2756 Hz, 4096p (12b) -72dB
• 20 Hz 564480 (20b) -120 dB

DSD512

• 22,579.200 Hz 1 bit
• 22050 Hz 1024p (10b) -60dB
• 11025 Hz 2048p (11b) -66dB
• 5512 Hz, 4096p (12b) -72dB
• 2756 Hz 8192p (13b) -78dB
• 20 Hz 1128960p (21b) -126dB

Tabulka ukazuje, že zvyšování frekvence ve formátu DSD má smysl pro kvalitu vysokých frekvencí (nižší jsou zaznamenávány s vyšší kvalitou).

Výsledek:

• Výrobci zařízení pro reprodukci zvuku označují rozsah dynamického kvantování, přidružený poměr signál-šum a neukazují velikost fázového šumu (chyba vzorkování).
• Druhý závěr. Uvedené vysoce výkonné formáty s pulzní kódovou modulací jsou částečně mýtem.
• A poslední - Formáty DSD mají ve srovnání s běžnými formáty výhodu v kvalitě.

V budoucnosti, pravděpodobně s dalším rozvojem digitální elektroniky, budou k dispozici zvukové formáty s velmi vysokou vzorkovací frekvencí a nízkým fázovým šumem, ale prozatím není výběr příliš velký a pozornost by měla být věnována DSD. Toto samozřejmě není reklama na DSD a SACD =), ale volba je na vás.