Садржај
Као што сте вероватно приметили, у индустрији паметних телефона постоји нови тренд укључивања „студијских квалитета“ аудио чипова у модерне водеће паметне телефоне. Иако 32-битни ДАЦ (дигитални у аналогни претварач) са аудио курсом од 192кХз сигурно изгледа добро на листу са спецификацијама, једноставно нема користи од повећања величине наших аудио колекција.
Овде сам да објасним зашто је та дубина и брзина примере узорака само још један случај аудио индустрије који користи предност недостатка потрошачких, па чак и аудиофилијских знања о овој теми. Не скидајте глупости, упадаћемо у озбиљно техничке тачке да објаснимо које су део про аудио звука. Надам се да ћу вам такође доказати зашто бисте требали занемарити већину маркетиншких прељуба.
Чујеш ли то?
Пре него што уђемо у овај први сегмент нуди неке потребне основне информације о два главна концепта дигиталног звука, дубине бита и брзине узорка.
Брзина узорковања односи се на то колико често ћемо ухватити или репродуковати амплитудне информације о сигналу. У основи, сецкамо облик таласа у пуно малих делова да бисмо сазнали више о њему у одређено време. Никуист-ова теорема каже да је највећа могућа фреквенција која се може снимити или репродуковати тачно половина фреквенције узорковања. Ово је прилично једноставно замислити, јер су нам потребне амплитуде за врх и дно таласног облика (који би захтевали два узорка) да бисмо тачно знали његову фреквенцију.
Повећање брзине узорковања (врх) резултира додатним узорцима у секунди, док већа дубина бита (дна) пружа више могућих вредности за снимање узорка на.
За звук се бринемо само о ономе што можемо чути и велика већина људи чује репове мало пре 20кХз. Сада када знамо за Никуист теорему, можемо разумети зашто су 44,1кХз и 48кХз уобичајене фреквенције узорковања, јер су нешто више од двоструке максималне фреквенције коју можемо чути. Усвајање стандардних 96кХз и 192кХз стандарда студија нема никакве везе са хватањем података виших фреквенција, што би било бесмислено. Али мало више од тога ћемо заронити за минут.
Како посматрамо амплитуде током времена, битна дубина се једноставно односи на резолуцију или број доступних тачака како би се сачували подаци о амплитуди. На примјер, 8-битни нам нуди 256 различитих точака за заокрет, 16-битни резултати у 65.534 бодова, а 32-битни подаци нам дају 4.294.967.294 података. Иако очигледно, ово увелике повећава величину било које датотеке.
Могло би бити лако одмах размислити о дубини бита у смислу тачности амплитуде, али важнији појмови за разумевање су бука и изобличење. Са врло ниском резолуцијом, вероватно ћемо пропустити комаде информација ниже амплитуде или одрезати врхове таласних облика, што уноси нетачност и изобличење (грешке у квантитацији). Занимљиво је да ће ово често звучати као бука ако желите да репродукујете датотеку ниске резолуције, јер смо ефективно повећали величину најмањег могућег сигнала који се може ухватити и репродуковати. То је потпуно исто као и додавање извора буке нашем таласном облику. Другим речима, спуштањем дубине бита такође се смањује бука пода. То би такође могло помоћи да се ово размисли у смислу бинарног узорка, где најмање значајан залога представља дно буке.
Дакле, већа дубина бита даје нам већу разину буке, али постоји ограничење ограничења колико је ово практично у стварном свијету. Назалост, свуда је позадинска бука и не мислим да аутобус пролази поред улице. Од каблова до ваших слушалица, транзистора у појачалу, па чак и до ушију у вашој глави, максимални однос сигнала и шума у стварном свету је око 124дБ, што изгледа за отприлике 21-битну вредност.Јаргон Бустер:
ДАЦ- Дигитално-аналогни претварач узима дигиталне аудио податке и претвара их у аналогни сигнал за слање у слушалице или звучнике.
Сампле Рате- Мерено у Хертзу (Хз), ово је број узетих дигиталних узорака података сваке секунде.
СНР- Однос сигнал-шум је разлика између жељеног сигнала и позадинске буке система. У дигиталном систему то је директно повезано са дубином бита.
За поређење, снимање од 16 бита нуди однос сигнала и шума (разлика између сигнала и позадинског шума) од 96,33дБ, док 24-битни нуди 144,49дБ, што премашује границе хардверског хватања и људске перцепције. Дакле, ваш 32-битни ДАЦ ће заправо икада моћи да емитује највише 21-битних корисних података, а остале бите ће маскирати бука из кола. У стварности, већина опреме са умереном ценом доспева са СНР од 100 до 110дБ, јер ће већина других елемената струјних кругова представити сопствену буку. Јасно је да се 32-битне датотеке већ чине сувишним.
Сада када смо разумели основе дигиталног звука, пријеђимо на неке од техничких тачака.
Степенице до неба
Већина питања која се тичу разумевања и заблуде звука повезана је са начином на који образовни ресурси и компаније покушавају да објасне предности користећи визуелне знакове. Вероватно сте сви видели звук представљен као низ степеница за степенице дубине и правоугаоне линије за брзину узорка. Ово сигурно не изгледа баш добро када га упоредите са глатким аналогним таласним обликом, тако да је лако искочити лепша и „глатка“ степеништа да би били тачнији излазни таласни облик.
Иако би то могло бити лако продати јавности, ова уобичајена аналогија тачности „степеништа“ је велика заблуда и не успева да процени како дигитални аудио заиста функционише. Игнориши то.
Међутим, овај визуелни приказ погрешно приказује како звук функционише. Иако могу изгледати неуредно, математички су подаци испод фреквенције Никуиста, што је половина фреквенције узорковања, савршено забележени и могу се савршено репродуковати. Замислите то, чак и на Никуист фреквенцији, која често може бити представљена као квадратни талас, а не глатки синусни талас, имамо тачне податке за амплитуду у одређеном тренутку, што је све што нам је потребно. Ми људи често грешно гледамо у простор између узорака, али дигитални систем не функционише на исти начин.
Дубина бита често је повезана са тачношћу, али стварно дефинише перформансе буке у системима. Другим речима, најмањи детективи или репродуцирани сигнал.
Када је у питању репродукција, ово може постати мало замршеније, због лако разумљивог концепта „нулте реда задржавања“ ДАЦ-а, који ће једноставно прелазити између вредности са постављеном брзином узорка, стварајући корак степеница. Ово заправо није приличан приказ начина функционисања аудио ДАЦ-ова, али док смо овде, можемо да употријебимо овај пример да докажемо да вас тим степеницама никако не би требало забрињавати.
Важна чињеница која се мора напоменути је да се сви таласни облици могу изразити као збир више синусних таласа, основне фреквенције и додатних компонената у хармоничним вишеструким. Трокутасти талас (или корак степеница) састоји се од непарних хармоника при смањењу амплитуда. Дакле, ако имамо пуно врло малих корака који се дешавају по нашем узорковању, можемо рећи да је додатни садржај хармонике додан, али се јавља двоструко од наше звучне (Никуист) фреквенције и вероватно неколико хармоника изван тога, тако да смо победили Ионако их нећу моћи чути. Надаље, то би било прилично једноставно филтрирати помоћу неколико компоненти.
Ако издвојимо ДАЦ узорке, лако можемо видети да је наш жељени сигнал савршено представљен заједно са додатним таласним обликом при брзини ДАЦ узорка.
Ако је то тачно, то бисмо требали моћи да посматрамо брзим експериментом. Узмимо излаз равно из основног ДАЦ-а за задржавање нула и такође напајамо сигнал кроз веома једноставну 2нд наручите филтер за ниску пропусност постављен на половини наше узорке. Овде сам користио само 6-битни сигнал, тек тако да заправо можемо да видимо излаз на осцилоскопу. 16-битни или 24-битни аудио датотека имао би далеко мање шума на сигналу пре и после филтрирања.
Прилично груб пример, али ово доказује да су аудио подаци савршено рекреирани унутар овог неуредног степеништа.
И као да је магијом, степениште је готово потпуно нестало, а излаз је изглађен, само коришћењем филтера ниског пролаза који не омета наш излаз синусног таласа. У стварности, све што смо учинили је филтрирање делова сигнала које ионако не бисте чули. То заиста није лош резултат за додатне четири компоненте које су у основи бесплатне (два кондензатора и два отпорника коштају мање од 5 пенија), али заправо постоје сложеније технике које можемо користити да још више смањимо ову буку. Што је још боље, они су укључени као стандард у већини квалитетних ДАЦ-ова.
Ако има више реалистичног примера, сваки ДАЦ за употребу са звуком имаће и интерполациони филтер, познат и као уп-сампле узорковање. Интерполација је прилично једноставан начин израчунавања интермедијарних тачака између два узорка, тако да ваш ДАЦ заправо ради много овог „изглађивања“ самостално, и много више од удвостручења или четворострукости стопе узорка. Још боље, не заузима додатни простор за датотеке.
Интерполацијски филтери који се обично налазе у било којем ДАЦ-у вредни његове соли су много боље решење од преношења датотека са већом стопом узорковања.
Методе за то могу бити прилично сложене, али у суштини, ваш ДАЦ мења своју излазну вредност много чешће него што би примерјала фреквенција узорка ваше аудио датотеке. То гура нечујне хармонике степеница степеницама далеко изван фреквенције узорковања, омогућавајући употребу споријих, лакше доступних филтера који имају мање гребен, чиме се чувају битови које заправо желимо чути.
Ако вас занима зашто желимо да уклонимо овај садржај који не можемо да чујемо, једноставан разлог је да би репродуковање додатних података даље низ ланца сигнала, рецимо на појачало, трошило енергију. Надаље, зависно од осталих компоненти у систему, овај вишој фреквенцији „ултразвучни“ садржај може заправо довести до већих количина интермодулацијских изобличења у компонентама ограничене пропусне ширине. Према томе, ваша датотека од 192 кХз вероватно би нанијела више штете него користи, ако заиста постоји неки ултразвучни садржај унутар тих датотека.
Ако је потребан још неки доказ, показаћу и излаз из висококвалитетног ДАЦ-а користећи Цирцус Логиц ЦС4272 (на слици на врху). ЦС4272 садржи интерполациони одељак и стрмо уграђен излазни филтер. Све што радимо за овај тест је да користимо микроконтролер да напајамо ДАЦ два 16-битна висока и ниска узорка на 48 кХз, дајући нам максимални могући излазни таласни облик на 24 кХз. Не користе се друге компоненте за филтрирање, а овај излаз долази директно из ДАЦ-а.
Излазни сигнал од 24 кХз (одозго) из ове студијске ДАЦ компоненте сигурно не личи на правоугаони таласни облик повезан са уобичајеним маркетиншким материјалом. Брзина узорка (Фс) приказана је на дну осцилоскопа.
Имајте на уму како је излазни синусни талас (горњи) тачно половина брзине фреквенцијског таласа (одоздо). Нема уочљивих степеница и овај веома високи фреквенцијски облик изгледа готово као савршен синусни талас, а не блокантни квадратни талас који би маркетиншки материјал или чак случајни поглед на излазне податке сугерирали. То показује да чак и са само два узорка, Никуист-ова теорија савршено функционира у пракси и можемо створити чисти синусни талас, одсутан било каквим додатним хармоничним садржајем, без велике дубине бита или узорка.
Истина о 32-битном и 192 кХз
Као и код већине ствари, и иза жаргона је скривена истина и 32-битни, 192 кХз звук је нешто што практично користи, само што није на длану. Ови дигитални атрибути заправо вам добро долазе када сте у студијском окружењу, па отуда и тврдње да „звук студијског квалитета на мобилни уређај“ доносе, али та се правила једноставно не примењују када желите спремити запис у свој џеп.
Прво, кренимо са стопом узорка. Предност звука веће резолуције која се често рекламира је задржавање ултразвучних података које не можете да чујете, али утичу на музику. Смеће, већина инструмената отпада пре граница фреквенције нашег слуха, микрофон који се користи за снимање простора највише око 20 кХз, а слушалице које користите сигурно неће тако ни проширити. Чак и ако могу, ваше уши то једноставно не могу открити.
Типична људска осетљивост слуха достиже брзину од 3кХз и брзо почиње да се повлачи после 16кХз.
Међутим, узорковање од 192 кХз прилично је корисно за смањење буке (опет та кључна реч) када узоркује податке, омогућава једноставнију конструкцију суштинских улазних филтера, а такође је важно и за дигитални ефекат велике брзине. Прекомерно спуштање звука изнад звучног спектра омогућава нам да просечимо сигнал како бисмо притискали буку. Открићете да већина добрих АДЦ-ова (аналогних дигиталним претварачима) ових дана долази са уграђеним 64-битним овер-узорковањем или више.
Сваки АДЦ такође мора уклонити фреквенције изнад своје Никуист границе, или ћете на крају добити грозан звук звука јер су више фреквенције „пресавијене“ у звучни спектар. Већи јаз између наших кутних фреквенција филтера од 20 кХз и максималне брзине узорковања више је прилагођен филтрима из стварног света који једноставно не могу бити тако стрми и стабилни колико теоријски филтери захтевају. То исто важи и на крају ДАЦ-а, али како смо разговарали о интермодулацији овај ефекат може врло ефикасно да гурне до виших фреквенција ради лакшег филтрирања.
Што је стрмији филтар, то је више таласа у пропусном опсегу. Повећање брзине узорковања омогућава употребу „спорих“ филтера, што помаже у очувању одзива равне фреквенције у звучном опсегу.
У дигиталном домену, слична правила важе за филтере који се често користе у студијском мешању. Веће брзине узорка омогућавају стрмије, брже делујуће филтере који захтевају додатне податке да би правилно функционисали. Ништа од овога није потребно када је у питању репродукција и ДАЦ-ови, јер нам је интересантно само оно што заправо можете чути.
Прелазећи на 32-битни, свако ко је икад покушао да кодира било коју даљински сложену математику схватиће важност дубине бита, како са подацима целих бројева тако и са помичним зарезом. Као што смо расправљали, више је бита мање буке и ово постаје важније када почнемо с дељењем или одузимањем сигнала у дигиталној домени због грешака у заокруживању и да избегнемо грешке у клипингу приликом множења или сабирања.
Додатна дубина бита важна је за очување интегритета сигнала током обављања математичких операција, као што је аудио студио у студију. Али ове додатне податке можемо избацити након завршетка мастеринга.
Ево примера, рецимо да узимамо 4-битни узорак, а наш тренутни узорак је 13, што је 1101 у бинарном облику. Сада покушајте да то поделимо са четири, а остало нам је 0011, или једноставно 3. Изгубили смо додатних 0.25 и то ће представљати грешку ако смо покушали да учинимо додатну математику или да свој сигнал вратимо у аналогни таласни облик.
Ове грешке у заокруживању манифестују се као веома мале изобличења или буке које се могу акумулирати на великом броју математичких функција. Међутим, ако смо тај 4-битни узорак проширили додатним битовима информација које ћемо користити као фракцију или децималну тачку, тада можемо наставити дељење, додавање и множење много дуже захваљујући додатним подацима. Тако у стварном свету узорковање на 16 или 24 битном те претварање ових података у 32-битни формат за обраду опет помаже уштедама на буци и изобличењима. Као што смо већ навели, 32-битна бода је страшно пуно тачности.
Оно што је једнако важно препознати је да нам није потребна додатна просторија када се вратимо у аналогни домен. Као што смо већ расправљали, око 20-битних података (-120 дБ буке) апсолутни максимум који се евентуално може открити, тако да можемо претворити назад у разумнију величину датотеке без утицаја на квалитет звука, упркос чињеници да су „аудиофили“ вероватно се жале на ове изгубљене податке.
Међутим, неизбежно ћемо увести неке грешке у заокруживању приликом премештања на нижу дубину бита, тако да ће увек бити врло мале количине додатних изобличења, јер се ове грешке не појављују насумично. Иако ово није проблем са 24-битним звуком, јер се он већ протеже знатно иза аналогног дна буке, техника која се назива „одумирање“ овај проблем уредно решава за 16-битне датотеке.
Пример поређења изобличења уведених скраћивањем и брисањем.
То се постиже рандомизирањем најмање значајног бита аудио узорка, елиминирањем грешака изобличења, али увођењем врло тихог случајног позадинског шума који се шири преко фреквенција. Иако се увођењем буке може видети контра интуитивно, то заправо смањује количину звучних изобличења због насумичности. Даље, користећи посебне шарене шаре у облику буке који злоупотребљавају фреквенцијски одзив људског уха, 16-битни обојени звук заправо може задржати перципирани ниво буке врло близу 120 дБ, тачно на границама наше перцепције.
32-битни подаци и фреквенције узорака од 192 кХз имају значајне предности у студију, али иста правила се не примењују за репродукцију.
Једноставно речено, нека студији зачепе своје чврсте дискове с овим садржајем високе резолуције, једноставно нам нису потребни сви сувишни подаци када је у питању репродукција високог квалитета.
Упаковати
Ако сте још увек са мном, немојте схватити овај чланак као потпуно одбацивање напора да побољшате аудио компоненте смартфона. Иако број оглашавања може бити бескористан, квалитетнији саставни делови и бољи дизајн кола још увек су одличан развој на тржишту мобилних уређаја, морамо само да осигурамо да произвођачи усмере пажњу на праве ствари. 32-битни ДАЦ у ЛГ-у В10, на пример, звучи невероватно, али не морате се мучити са огромним величинама аудио датотека да бисте то искористили.
Могућност покретања слушалица са ниском импеданцијом, очување пода са смањеном буком од ДАЦ-а до прикључка и минимална изобличења много су важније карактеристике за звук паметних телефона од теоретски подржане дубине бита или узорка, и надамо се да ћемо бити у могућности да се убудуће детаљније позабавимо овим точкама.
