Kandungan
Seperti yang anda mungkin perasan, terdapat trend baru dalam industri telefon pintar termasuk cip audio "kualiti studio" di dalam telefon pintar perdana moden. Walaupun DAC 32-bit (penukar digital ke analog) dengan sokongan audio 192kHz pasti kelihatan baik pada helaian spec, tidak semestinya apa-apa manfaat untuk menolak saiz koleksi audio kami.
Saya di sini untuk menjelaskan mengapa kedalaman bit dan kadar sampel yang membanggakan adalah satu lagi contoh industri audio yang mengambil kesempatan daripada kekurangan pengguna dan juga pengetahuan audiophile mengenai subjek. Tinggalkan topi nerd anda, kami akan pergi ke beberapa titik teknikal yang serius untuk menjelaskan selok dan audio pro. Dan semoga saya juga akan membuktikan kepada anda mengapa anda harus mengabaikan kebanyakan gembar-gembur pemasaran.
Adakah anda mendengarnya?
Sebelum kita menyelam masuk, segmen pertama ini menawarkan beberapa maklumat latar belakang yang diperlukan pada dua konsep utama audio digital, kedalaman bit dan kadar sampel.
Kadar sampel merujuk kepada seberapa kerap kita akan menangkap atau membiak maklumat amplitud mengenai isyarat. Pada dasarnya, kita memotong bentuk gelombang ke dalam banyak bahagian kecil untuk mengetahui lebih lanjut tentang hal itu pada satu titik tertentu dalam waktunya. Teorem Nyquist menyatakan bahawa frekuensi tertinggi yang boleh ditangkap atau diterbitkan semula adalah separuh daripada kadar sampel. Ini agak mudah untuk dibayangkan, kerana kita memerlukan amplitud untuk bahagian atas dan bawah bentuk gelombang (yang memerlukan dua sampel) untuk mengetahui kekerapannya secara tepat.
Meningkatkan kadar sampel (atas) menghasilkan sampel tambahan sesaat, manakala bit lebih mendalam (bawah) memberikan lebih banyak nilai untuk mencatat sampel di.
Untuk audio, kami hanya prihatin dengan apa yang dapat kami dengar dan majoriti orang pendengaran ekor sebelum 20kHz. Sekarang kita tahu tentang Tequem Nyquist, kita boleh faham mengapa 44.1kHz dan 48kHz adalah frekuensi persampelan biasa, kerana mereka hanya dua kali ganda frekuensi maksimum yang kita boleh dengar. Penggunaan standard 96kHz dan 192kHz kualiti studio tidak ada kaitan dengan menangkap data kekerapan yang lebih tinggi, yang tidak berguna. Tetapi kita akan menyelam lebih banyak lagi dalam satu minit.
Seperti yang kita lihat pada amplitud dari masa ke masa, kedalaman bit hanya merujuk kepada resolusi atau bilangan mata yang ada untuk menyimpan data amplitud ini. Sebagai contoh, 8-bit menawarkan 256 mata yang berbeza untuk pusingan, keputusan 16-bit dalam 65,534 mata, dan nilai data 32-bit memberikan kami 4,294,967,294 mata data. Walaupun jelas, ini sangat meningkatkan saiz mana-mana fail.
Ia mungkin mudah untuk segera berfikir tentang kedalaman bit dari segi ketepatan amplitud, tetapi konsep yang lebih penting untuk difahami di sini adalah bunyi dan gangguan. Dengan resolusi yang sangat rendah, kita mungkin akan kehilangan ketulan maklumat amplitud yang lebih rendah atau memotong bahagian atas bentuk gelombang, yang memperkenalkan ketidaktepatan dan penyimpangan (kesalahan kuantisasi). Menariknya, ini sering terdengar seperti bunyi bising jika anda memainkan fail resolusi rendah, kerana kami telah meningkatkan saiz isyarat terkecil yang mungkin dapat ditangkap dan diterbitkan semula. Ini sama persis dengan menambah sumber bunyi ke bentuk gelombang kami. Dengan kata lain, menurunkan kedalaman bit juga mengurangkan lantai bunyi. Ia juga boleh membantu memikirkan ini dari segi sampel binari, di mana bit yang paling ketara mewakili lantai bunyi.
Oleh itu, kedalaman bit yang lebih tinggi memberikan kita lantai bunyi yang lebih besar, tetapi terdapat batasan terhingga bagaimana praktikal ini berada di dunia nyata. Malangnya, terdapat bunyi latar belakang di mana-mana, dan saya tidak bermaksud bas akan berlalu di jalan. Dari kabel ke fon kepala anda, transistor dalam penguat, dan juga telinga di dalam kepala anda, isyarat maksimum kepada nisbah bunyi dalam dunia sebenar adalah sekitar 124dB, yang berfungsi untuk kira-kira 21 bit data.Jargon Buster:
DAC- Penukar digital ke analog mengambil data audio digital dan mengubahnya menjadi isyarat analog untuk dihantar ke fon kepala atau pembesar suara.
Kadar Sampel- Diukur di Hertz (Hz), ini adalah jumlah sampel data digital yang ditangkap setiap satu saat.
SNR- Nisbah isyarat-ke-bunyi adalah perbezaan antara isyarat yang dikehendaki dan bunyi sistem latar belakang. Dalam sistem digital ini dihubungkan langsung ke kedalaman bit.
Sebagai perbandingan, 16-bit tangkapan menawarkan isyarat kepada nisbah hingar (perbezaan antara isyarat dan bunyi latar belakang) 96.33dB, manakala 24-bit menawarkan 144.49dB, yang melebihi had tangkapan perkakasan dan persepsi manusia. Jadi, DAC 32-bit anda sebenarnya hanya akan dapat menghasilkan paling banyak 21-bit data yang berguna dan bit lain akan dipenuhi oleh bunyi litar. Pada kenyataannya, kebanyakan alat kelengkapan yang paling mahal dijual dengan SNR 100 hingga 110dB, kerana kebanyakan elemen litar lain akan memperkenalkan kebisingan mereka sendiri. Jelas sekali, fail 32-bit sudah kelihatan agak berlebihan.
Sekarang kita mempunyai asas-asas audio digital difahami, mari kita beralih kepada beberapa mata yang lebih teknikal.
Tangga ke syurga
Kebanyakan isu-isu yang mengelilingi pemahaman dan kesalahpahaman audio berkaitan dengan cara di mana sumber pendidikan dan syarikat cuba menjelaskan faedah menggunakan isyarat visual. Anda mungkin semua melihat audio yang diwakili sebagai satu siri langkah tangga untuk garis-garis kecil yang mendatar dan segi empat tepat untuk kadar sampel. Ini pastinya tidak kelihatan sangat baik apabila anda membandingkannya dengan bentuk gelombang analog yang licin, jadi mudah untuk melepaskan tangga yang lebih halus, "halus" untuk mewakili bentuk gelombang keluaran yang lebih tepat.
Walaupun ia mungkin mudah dijual kepada orang ramai, analogi ketepatan umum "tangga" ini adalah satu kesalahan besar dan gagal untuk menghargai bagaimana audio digital sebenarnya berfungsi. Abaikan.
Bagaimanapun, perwakilan visual ini menyalahtafsirkan bagaimana audio berfungsi. Walaupun ia mungkin kelihatan kemas, secara matematik data di bawah kekerapan Nyquist, iaitu separuh daripada kadar sampel, telah ditangkap dengan sempurna dan boleh diterbitkan semula dengan sempurna. Gambar ini, walaupun pada frekuensi Nyquist, yang mungkin sering diwakili sebagai gelombang persegi dan bukan gelombang sinus yang licin, kami mempunyai data yang tepat untuk amplitud pada satu titik tertentu dalam masa, yang hanya perlu. Kita manusia sering kali tersilap melihat ruang di antara sampel, tetapi sistem digital tidak beroperasi dengan cara yang sama.
Kedalaman bit sering dikaitkan dengan ketepatan, tetapi sebenarnya ia menentukan sistem prestasi bunyi. Dalam erti kata lain, isyarat terkecil atau ditiru.
Apabila ia datang kepada main balik, ini dapat menjadi lebih rumit, kerana mudah memahami konsep "hold-zero-order" DAC, yang hanya akan beralih antara nilai-nilai pada kadar sampel yang ditetapkan, menghasilkan hasil tangga yang melangkah. Ini sebenarnya bukan representasi yang adil tentang bagaimana audio DAC berfungsi, tetapi ketika kita berada di sini kita dapat menggunakan contoh ini untuk membuktikan bahawa anda tidak perlu prihatin terhadap tangga itu pula.
Fakta penting untuk diperhatikan ialah semua bentuk gelombang boleh dinyatakan sebagai jumlah gelombang sinus berganda, frekuensi asas dan komponen tambahan pada gandaan harmonik. Gelombang segi tiga (atau langkah tangga) terdiri daripada harmonik ganjil pada amplitud yang semakin berkurang. Jadi, jika kita mempunyai banyak langkah yang sangat kecil yang berlaku pada kadar sampel kita, kita boleh mengatakan bahawa ada beberapa tambahan kandungan harmonik ditambah, tetapi ia berlaku pada dua kali ganda frekuensi yang boleh didengar (Nyquist) dan mungkin beberapa harmonik di luar itu, jadi kami menang Tidak dapat mendengarnya lagi. Tambahan pula, ini agak mudah untuk ditapis menggunakan beberapa komponen.
Sekiranya kita memisahkan sampel DAC, kita dapat dengan mudah melihat bahawa isyarat yang dikehendaki adalah dengan sempurna diwakili bersama dengan bentuk gelombang tambahan pada kadar sampel DAC.
Jika ini benar, kita sepatutnya dapat melihatnya dengan percubaan yang cepat. Mari kita keluarkan output secara terus dari DAC yang memegang sifar asas dan juga suapan isyarat melalui yang sangat mudah 2nd menempah penapis pas rendah dengan separuh kadar sampel kami. Saya sebenarnya hanya menggunakan isyarat 6-bit di sini, hanya supaya kita boleh melihat output pada osiloskop. Fail audio 16-bit atau 24-bit akan mempunyai sedikit bunyi pada isyarat sebelum dan selepas penapisan.
Satu contoh yang agak kasar, tetapi ini membuktikan titik bahawa data audio sempurna dicipta dalam tangga yang kelihatan kemas ini.
Dan seolah-olah dengan sihir, tangga yang melangkah hampir hilang sepenuhnya dan output "diletak keluar", hanya dengan menggunakan penapis rendah-pass yang tidak mengganggu output gelombang sinus kami. Sebenarnya, semua yang kami lakukan telah ditapis bahagian isyarat yang anda tidak akan dengar lagi. Itu benar-benar bukan hasil yang buruk untuk empat komponen tambahan yang pada asasnya bebas (dua kapasitor dan dua perintang kos kurang daripada 5 pence), tetapi sebenarnya ada teknik yang lebih canggih yang boleh kita gunakan untuk mengurangkan bunyi ini lebih jauh lagi. Lebih baik lagi, ini dimasukkan sebagai standard dalam kebanyakan DAC berkualiti.
Berurusan dengan contoh yang lebih realistik, mana-mana DAC untuk digunakan dengan audio juga akan menampilkan penapis interpolasi, juga dikenali sebagai pensampelan. Interpolasi adalah satu-satunya cara untuk mengira titik perantaraan di antara dua sampel, jadi DAC anda sebenarnya melakukan banyak "melicinkan" ini sendiri, dan lebih daripada dua kali ganda atau empat kali ganda kadar sampel. Lebih baik lagi, ia tidak mengambil apa-apa ruang fail tambahan.
Penapis interpolasi yang sering dijumpai di mana-mana DAC bernilai garamnya adalah penyelesaian yang jauh lebih baik daripada membawakan fail dengan kadar pensampelan yang lebih tinggi.
Kaedah untuk melakukan ini boleh menjadi agak rumit, tetapi pada dasarnya DAC anda menukar nilai output lebih kerap daripada kekerapan sampel fail audio anda akan mencadangkan. Ini mendorong harmoni langkah tangga yang tidak dapat didengar jauh di luar kekerapan persampelan, yang membolehkan penggunaan penapis yang lebih cepat, lebih mudah dicapai yang kurang riak, oleh itu memelihara bit yang sebenarnya kita ingin dengar.
Sekiranya anda ingin tahu mengapa kami mahu mengeluarkan kandungan ini yang tidak dapat kami dengar, alasan mudah ialah mengeluarkan semula data tambahan ini ke bawah rantai isyarat, katakan dalam penguat, akan menyia-nyiakan tenaga. Selain itu, bergantung kepada komponen lain dalam sistem ini, frekuensi "ultra-sonik" kandungan yang lebih tinggi mungkin sebenarnya membawa kepada penyimpangan jumlah intermodulasi yang lebih tinggi dalam komponen jalur lebar terhad. Oleh itu, fail 192 kHz anda mungkin akan menyebabkan lebih banyak kemudaratan daripada yang baik, jika terdapat sebarang kandungan ultra-sonik yang terdapat dalam fail tersebut.
Sekiranya bukti lebih diperlukan, saya juga akan menunjukkan output daripada DAC berkualiti tinggi menggunakan Circus Logic CS4272 (digambarkan di bahagian atas). CS4272 mempunyai bahagian interpolasi dan penapis output binaan yang curam. Apa yang kita lakukan untuk ujian ini menggunakan pengawal mikro untuk memberi makan DAC dua sampel tinggi dan rendah 16-bit pada 48kHz, memberikan kita bentuk gelombang output maksimum pada 24kHz. Tiada komponen penapisan lain yang digunakan, output ini datang terus dari DAC.
Isyarat keluaran 24kHz (atas) dari komponen DAC gred studio ini pastinya tidak kelihatan seperti bentuk segi empat tepat yang berkaitan dengan bahan pemasaran biasa. Kadar sampel (Fs) dipaparkan di bahagian bawah osiloskop.
Perhatikan bagaimana gelombang sinus output (atas) betul-betul separuh kelajuan jam frekuensi (bawah). Tidak ada langkah tangga yang ketara dan bentuk gelombang kekerapan yang sangat tinggi ini kelihatan hampir seperti gelombang sinus yang sempurna, bukan gelombang persegi yang menghampiri bahan pemasaran atau sekilas kasual pada data output yang dicadangkan. Ini menunjukkan bahawa walaupun dengan hanya dua sampel, teori Nyquist berfungsi dengan sempurna dalam amalan dan kita boleh mencipta gelombang sinus tulen, tidak ada sebarang kandungan harmonik tambahan, tanpa kadar kedalaman atau sampel yang besar.
Kebenaran tentang 32-bit dan 192 kHz
Seperti kebanyakan perkara, terdapat beberapa kebenaran yang tersembunyi di sebalik semua jargon dan 32-bit, audio 192 kHz adalah sesuatu yang mempunyai penggunaan praktikal, bukan hanya di telapak tangan anda. Ciri-ciri digital ini sebenarnya berguna apabila anda berada dalam persekitaran studio, oleh itu tuntutan untuk membawa "studio kualiti audio ke telefon bimbit", tetapi peraturan ini tidak terpakai apabila anda mahu meletakkan trek selesai ke dalam poket anda.
Pertama, mari bermula dengan kadar sampel. Satu perkara yang sering dipuji adalah audio resolusi tinggi ialah pengekalan data ultra-sonik yang tidak dapat anda dengar tetapi memberi kesan kepada muzik. Sampah, kebanyakan instrumen jatuh jauh sebelum had kekerapan pendengaran kami, mikrofon yang digunakan untuk menangkap ruang keluar kira-kira paling kurang 20kHz, dan fon kepala anda yang anda gunakan pasti tidak akan memanjangkannya sama ada. Walaupun mereka boleh, telinga anda tidak dapat mengesannya.
Kepekaan pendengaran manusia biasa pada puncak 3kHz dan dengan cepat mula melancarkan selepas 16kHz.
Walau bagaimanapun, pensampelan 192 kHz sangat berguna untuk mengurangkan bunyi bising (kata kunci lagi sekali lagi) apabila data pensampelan, membolehkan pembinaan lebih mudah penapis input penting, dan juga penting untuk kesan digital berkelajuan tinggi. Pengawasan di atas spektrum yang boleh didengar membolehkan kita menaikkan isyarat untuk menolak ke bawah lantai bunyi. Anda akan mendapati bahawa ADC yang paling baik (analog untuk penukar digital) hari ini datang dengan dibina dalam over-sampling 64-bit atau lebih.
Setiap ADC juga perlu mengalih keluar kekerapan di atas had Nyquistnya, atau anda akan berakhir dengan aliasing membunyikan mengerikan kerana frekuensi yang lebih tinggi "dilipat" ke dalam spektrum yang boleh didengar. Mempunyai jurang yang lebih besar antara frekuensi sudut penapis 20 kHz dan kadar sampel maksimum lebih menampung penapis dunia sebenar yang semata-mata tidak boleh menjadi curam dan stabil kerana penapis teoretikal diperlukan. Ini sama berlaku pada akhir DAC, tetapi ketika kita membincangkan intermodulation dapat sangat berkesan menolak bunyi ini sehingga frekuensi yang lebih tinggi untuk penapisan yang lebih mudah.
Yang curam penapis lebih riak di passband. Meningkatkan kadar sampel membolehkan penggunaan penapis "lebih perlahan", yang membantu mengekalkan tindak balas frekuensi rata dalam jalur lebar yang boleh didengar.
Di dalam domain digital, peraturan serupa dikenakan untuk penapis yang sering digunakan dalam proses pencampuran studio. Kadar sampel yang tinggi membolehkan curam, penapis bertindak pantas yang memerlukan data tambahan untuk berfungsi dengan baik. Tiada satu pun yang diperlukan ketika datang ke playback dan DAC, kerana kami hanya menarik dalam apa yang sebenarnya anda boleh dengar.
Bergerak ke 32-bit, sesiapa sahaja yang pernah mencuba untuk memasukkan mana-mana matematik rumit yang jauh akan memahami kepentingan kedalaman bit, baik dengan data integer dan terapung. Seperti yang telah kita bincangkan, semakin banyak bit yang kurang bunyi dan ini menjadi lebih penting apabila kita mula membahagikan atau menolak isyarat dalam domain digital kerana ralat penggenapan dan untuk mengelakkan kesilapan penggambaran ketika mengalikan atau menambah.
Kedalaman bit tambahan adalah penting untuk memelihara integriti isyarat semasa menjalankan operasi matematik, seperti dalam perisian audio studio. Tetapi kita boleh membuang data tambahan ini setelah menguasai selesai.
Contohnya, katakan kami mengambil sampel 4-bit dan sampel semasa ialah 13, iaitu 1101 dalam binari. Kini cuba membahagikannya dengan empat dan kita dibiarkan dengan 0011, atau hanya 3. Kita telah kehilangan tambahan 0.25 dan ini akan mewakili ralat jika kita cuba melakukan matematik tambahan atau menukar isyarat kita kembali ke bentuk gelombang analog.
Kesalahan pembundaran ini ditunjukkan sebagai jumlah gangguan atau bunyi yang sangat sedikit, yang dapat mengumpul sejumlah besar fungsi matematik. Walau bagaimanapun, jika kita memperluaskan sampel 4-bit ini dengan bit tambahan maklumat untuk digunakan sebagai puak atau titik perpuluhan maka kita boleh terus membahagikan, menambah dan berganda untuk lebih lama terima kasih kepada titik data tambahan. Jadi di dunia nyata, pensampelan pada 16 atau 24 bit dan kemudian menukar data ini ke dalam format 32-bit untuk diproses lagi membantu untuk menjimatkan bunyi dan gangguan. Seperti yang telah kami nyatakan, 32-bit adalah banyak perkara yang ketepatan.
Sekarang, apa yang sama pentingnya mengenali ialah kita tidak memerlukan ruang tajam tambahan ini apabila kita kembali ke domain analog. Seperti yang telah dibincangkan, kira-kira 20-bit data (-120dB bunyi) maksimum mutlak yang mungkin dapat dikesan, jadi kita boleh menukar kembali ke saiz fail yang lebih munasabah tanpa menjejaskan kualiti audio, walaupun hakikat bahawa "audiophiles" adalah mungkin meratapi ini data yang hilang.
Walau bagaimanapun, kami pasti akan memperkenalkan beberapa ralat penggenapan apabila beralih ke kedalaman bit yang lebih rendah sehingga selalu ada sedikit gangguan yang amat kecil kerana kesilapan ini tidak selalu berlaku secara rawak. Walaupun ini bukan masalah dengan audio 24-bit kerana ia telah meluas jauh di luar lantai bunyi analog, teknik yang dipanggil "dithering" dengan kemas menyelesaikan masalah ini untuk fail 16-bit.
Perbandingan contoh penyimpangan yang diperkenalkan oleh pemangkasan dan pemisahan.
Ini dilakukan dengan merangkumi sedikit sampel audio yang paling ketara, menghilangkan kesilapan distorsi tetapi memperkenalkan beberapa bunyi latar rawak yang sangat tenang yang tersebar di frekuensi. Walaupun memperkenalkan bunyi bising mungkin melihat kaunter intuitif, ini sebenarnya mengurangkan jumlah herotan yang boleh didengar kerana rawak. Lebih-lebih lagi, dengan menggunakan corak dithering yang berbentuk khas yang menyalahgunakan tindak balas frekuensi telinga manusia, audio yang mempunyai 16-bit boleh benar-benar mengekalkan tahap bunyi bising yang sangat dekat dengan 120dB, tepat pada had persepsi kita.
Data 32-bit dan kadar sampel 192kHz mempunyai faedah yang ketara di studio, tetapi peraturan yang sama tidak berlaku untuk main balik.
Ringkasnya, biarkan studio menyumbat cakera keras mereka dengan kandungan resolusi tinggi ini, kami hanya tidak memerlukan semua data yang berlebihan apabila ia berkaitan dengan main balik berkualiti tinggi.
Wrap Up
Sekiranya anda masih bersama saya, jangan nyatakan artikel ini sebagai pemecatan sepenuhnya usaha untuk meningkatkan komponen audio telefon pintar. Walaupun jumlah yang dipuji mungkin tidak berguna, komponen berkualiti tinggi dan reka bentuk litar yang lebih baik masih merupakan perkembangan yang sangat baik dalam pasaran mudah alih, kami hanya perlu memastikan para pengeluar memusatkan perhatian mereka pada perkara yang betul. DAC 32-bit di LG V10, misalnya, kelihatan hebat, tetapi anda tidak perlu repot-repot dengan saiz fail audio yang besar untuk memanfaatkannya.
Keupayaan untuk memacu fon kepala impedans yang rendah, memelihara lantai bunyi yang rendah dari DAC ke bicu, dan menawarkan penyimpangan yang paling kecil adalah ciri-ciri yang lebih penting untuk audio telefon pintar daripada kadar mendalam atau sampel yang disokong secara teoritis, dan kami sememangnya akan dapat untuk menyelam perkara-perkara ini dengan lebih terperinci pada masa akan datang.
