Большинство пользователей компьютерных систем даже не догадываются о том, что собой представляет цифро-аналоговый преобразователь или ЦАП. Все слышат звук, но только единицы представляют себе, как он обрабатывается. При рассмотрении данного вопроса нам придется немного углубиться в понимание природы звука и устройств, которые его воспроизводят. Что же собой представляет ЦАП?
Звук: что это такое?
Многие пользователи ошибочно полагают, что аббревиатура ЦАП обозначает «центральный аудиопроцессор». На самом же деле ЦАП представляет собой частотно-аналоговый преобразователь, который приводит аудиосигнал к такому виду, который воспринимает человеческий слух. Здесь необходимо различать такие понятия, как цифровой и аналоговый сигнал. Технология, используемая при оцифровке видео, подразумевает программные методы обработки. Именно по этой причине поклонники виниловых пластинок не могут слушать аналогичные записи на CD или DVD дисках. В них отсутствует специфичный скрежет, издаваемый алмазной головкой проигрывателя при касании им поверхности пластинки. Впервые аналоговая обработка была использована в катушечных магнитофонах и ламповых усилителях. Такие устройства продолжают пользоваться большой популярностью среди музыкантов, которые пытаются добавить в звучание своей композиции немного теплоты.
Частотные характеристики звука
Звук, воспроизводимый и преобразовываемый ЦАП, будет напрямую зависеть от устройства вывода сигнала или, проще говоря, от звуковой карты. Однако это еще далеко не все. Не последнюю роль в данном вопросе играют акустические системы в виде тех же громкоговорителей, усилителей и колонок. Здесь необходимо понимать, что ни одна акустическая система не будет воспроизводить звук с параметрами ниже возможностей звуковой карты. Если не вдаваться в тонкости функционирования таких устройств, то можно сказать, что оптимальными на сегодняшний день являются следующие характеристики: частота дискретизации – 48 кГЦ, глубина – 24 или 32 бита, битрейт – 320 кбит/с и выше.
Дополнительные параметры
Если говорить о частотных параметрах звука, то необходимо отметить, что ЦАП может преобразовывать звук с применением параметров, воспринимаемых человеческим ухом. Здесь необходимо остановиться на том, какие именно звуки мы можем слышать. Ограничения нашего слуха лежат в пределах от 16 до 20 кГц. Все основные ЦАП обрабатывают звук именно в таком диапазоне. Далее мы более подробно остановимся на методике тестирования, предлагаемой одним из популярных интернет-ресурсов.
Методика тестирования ЦАП
Рассмотрим тестирование внешних устройств, а не интегрированных звуковых карт, так как считается, что они обладают более низкими характеристиками по сравнению с внешним оборудованием. Что касается программного обеспечения, применяемого для ЦАП, то качество звука в данном случае тестируется на основе технологии AudioDoctor FSQ 2006, которая изначально создавалась для тестирования автомобильных аудиосистем, и позже была адаптирована для использования в домашних условиях. Цифро-аналоговые преобразователи при использовании данного ПО подключались напрямую через интерфейс USB и посредством S/PDIF с использованием небалансных выходов RCA. Отдельная роль отводится конвертеру M2 TechHiFaceEvo, при помощи которого осуществлялась конвертация файлов в наиболее удобный формат. В обязательном порядке было осуществлено тестирование с использованием драйверов ASIO.
Рейтинг ЦАП по звуку
Что же демонстрируют результаты тестирования? Рейтинг ЦАП по звуку выглядит примерно так:
— ASUS Essence III;
— Burson Audio Conductor Virtuoso 9018;
— Cary Audio DAC 100;
— Chord 2Qute;
— Densen DenDAC 50;
— Fostex HP-A8;
— North Star Design Supremo;
— OPPO HA-1.
Такая очередность довольно условна, поскольку многое в этом плане зависит не от звуковых характеристик, а от стоимости. В этом списке CaryAudio показывает наилучшие показатели по звуку, а также по расширению стереобазы. Также не стоит забывать о том, что рейтинг цифро-аналоговых преобразователей по звуку содержит некоторые недокументированные возможности устройств такого типа.
Использование звуковых карт
ЦАП рассчитаны на использование в звуковых картах. Как же на самом деле работает ЦАП? Звук воспроизводится на основе преобразования цифрового сигнала на входе в виде двоичного кода, каждому значению которого соответствует определенный ток, заряд и напряжение. Соответственно, аналогово-цифровые преобразователи, или АЦП, работают по обратному принципу. Если посмотреть именно на ЦАП, звук, описание преобразования которого будет рассмотрено далее, будет воспроизводиться только на основе входного кода. Чтобы обеспечить его восприятие системой используется стандартная технология PCM. Многие наверняка обращали внимание на тот факт, что стандартные файлы WAV помечаются как PCM. Мало иметь в наличии цифро-аналоговый преобразователь. Обработка и воспроизведение сигнала будут невозможны без использования соответствующих программных инструментов, которые также известны как кодеки. Они созданы специального для того, чтобы звуковая карта смогла распознать входящую информацию и воспроизвести звук через подключенное устройство. В данном случае преобразователи и кодеки выступают в роли своеобразного моста между «железным» устройством и цифровым кодом. DirectX работает как раз по такому принципу. Звуковые карты, которые работают на основе применения ЦАП, относятся в основном к внешним устройствам. Интегрированные звуковые чипы вроде Realtek или IntelAudio способны обрабатывать звук собственными силами, для этого они и были созданы. Однако для того, чтобы передать обработанный сигнал на устройство воспроизведения, необходимо обеспечить его корректную работу. Здесь не обойтись без использования управляющих программ.
Драйверы устройств
Большая часть звуковых карт автоматически определяется операционными системами любого типа. Драйверы обычно устанавливаются из собственной базы данных. Однако для некоторых устройств может потребоваться установка драйверов в ручном режиме. Причем речь может идти не только о драйверах, но и о сопутствующих кодеках. Чтобы не заниматься процедурами такого рода, для любого ЦАП с хорошим звуком желательно производить установку или обновление драйверов при помощи специальных программ автоматического обновления. Одной из таких программ и является утилита DriverBooster. Данная утилита первоначально выполняет обращение на интернет-ресурс производителя, а после этого скачивает наиболее свежий драйвер устройства, которое определяется автоматически, а затем интегрирует его в систему.
Программное обеспечение
Без соответствующего программного обеспечения обработка звука через ЦАП невозможна. О драйверах и кодеках уже говорилось ранее. А вот обработка аудио информации и настройка оптимального качества звучания не может осуществляться без использования специального программного комплекса. Желательно иметь на персональном компьютере установленную программу типу SoundMax. В отличие от тех же средств операционной системы такие утилиты позволяют осуществлять более тонкую настройку. Для обработки аудио лучше будет использовать специальные редакторы. В них можно менять даже стандартные настройки, в том числе частоту дискретизации и глубину. Если на компьютеры параллельно будут установлены драйверы ASIO4ALL, можно изменять в самой панели настройки звука такие характеристики, как количество сэмплов, не говоря уже о качестве звука.
Мобильная техника
Что касается звука со смартфона, то качество звука в данном случае можно оценивать весьма условно. Сами посудите, для воспроизведения низких частот обязательно нужен динамик с диаметром 32 дюйма. Понятно, что в планшете или телефоне такой динамик не разместить. Можно отдать предпочтение производителям, которые изначально позиционируются как первопроходцы в области обработки звука и разработки технологий данного типа. Ярким подтверждением тому можно считать корпорацию Sony. При выборе устройства лучше отдавать предпочтение моделям с пластиковым корпусом. В них отражение звука по своим техническим характеристикам и уровню намного выше. Даже при условии установки самого мощного преобразователя металлические корпуса выглядят более слабыми. Это связано в первую очередь с тем, что металл поглощает звук. Также стоит отметить, что чем больше пространство между задней крышкой и основным воспроизводящим динамиком, тем лучше будет отражение. Не стоит усердствовать, поскольку слишком большой зазор способен вызывать появление побочных эффектов хоруса или реверберации, или иначе говоря, искажений звука.
Дополнительные характеристики
Как уже должно быть ясно, цифро-аналоговый преобразователь обрабатывает звук на основе двоичного цифрового кода, используя для этой цели изменение частоты тока и напряжения. Тут необходимо четко понимать, что устройства этого типа не ограничиваются только такими характеристиками. Среди всех параметров, которые перечисляются в описании любого цифро-аналогового преобразователя, можно встретить даже такие непонятные значения, как параметры частотно-волновой модуляции PCM. Это как раз и есть основа принципа работы всех преобразователей. Анализ входного сигнала и его преобразование в самом простом случае строятся на основе принципа суммирования значений тока, заряда, напряжения, которые могут в цифровом выражении принимать значения либо нуля, либо единицы, в зависимости от условий применения двоичного кода. Стоит отдельно обратить внимание на такие параметры, как разрядность, которую иногда также называют шагом квантования или разрешающей способностью, частота Найквиста, передаточная характеристика, диапазон параметров входного сигнала, монотонность, погрешность смещения между сигналом и параметром, принятым за идеальный, выходной выброс при смене данных в определенный промежуток времени, дифференциальная и интегральная нелинейность отклонения характеристики при разности приращений выходных сигналов. Каждому значению кода для ЦАП может соответствовать один транзистор, на который отправляется сигнал. По типу подключения преобразователи делятся на последовательные и параллельные. Однако они все равно обращаются к узлам электрической сети при взаимодействии с выходом.
Большинство устройств построена на базе матрицы R-2R, которая является одной из наиболее распространенных и используемых структур, применяющих два значения сопротивлений, находящихся в пропорции 2 к 1. Тестирование ЦАП таким образом сводится к двум методам – определению напряжения и силы тока в нормальном и инверсном режиме. При этом можно достичь постоянства параметра импеданса, а также отсутствия емкостных токов. Недостаток главным образом заключается в том, что для опорного источника основным условием является наличие низкого импеданса. Также нельзя использовать для отправки сигнала резистор, который последовательно подключен к опорному источнику. В такой схеме подключения, как правило, не требуется производить заземление. Стоит также отдельно отметить так называемую сигма-дельта модуляцию, которая отвечает за уровень частоты дискретизации. Квантование(преобразование) осуществляется одним зарядом, который может превышать основную частоту Найквиста в десятки или даже сотни раз. Интерполяционный фильтр, который используется на одном из этапов преобразования сигнала, может изменить последовательность двоичного кода, добавляя для низкочастотных потоков данных нули, а для высокочастотных – единицы.
Так как большая часть проводников являются активными и реактивными, максимальной точности при проведении тестирования можно достичь только при использовании наименьших контуров возвратных токов, что способствует уменьшению индуктивности кабелей, а, следовательно, и понижению уровня шума. Можно привести в качестве примера педали эффектов для электрогитары. Гитаристам известно, что чем длиннее шнур от педали эффектов до гитары, тем сильнее будет фон. Данная ситуация лучше всего иллюстрирует понимание вопроса. Можно подключить ЦАП напрямую к нагрузке. Для этого необходимо использовать дополнительное устройство вроде инвертирующего ОУ или повторителя напряжения, которые выступают в роли устройства согласования или буфера. При этом необходимо отдельно рассмотреть вопрос заземления любой схемы. Рекомендуется использовать отдельные полигоны для аналоговой и цифровой части. Это связано с тем, что шумы от цифровых компонентов могут оказывать влияние на аналоговую часть сети. Достичь этого можно за счет применения тонкого проводника или использования двух внутренних слоев через двойное отверстие.
Заключение
В данном обзоре были рассмотрены некоторые технические вопросы, которые не обязательно знать рядовому пользователю. Но знание теории иногда бывает очень полезно. При выборе звуковой карты вам не обойтись без знания основных аспектов, которые касаются принципов ее работы. Возможно, некоторые пользователи еще не поняли, что низкое качество звука напрямую зависит от используемого оборудования. Звуковая карта, используемая для воспроизведения преобразованного цифрового сигнала в аналоговом виде, должна быть исключительно внешнего типа. Такие устройства позволяют услышать то, что не воспроизводится съемными или интегрированными девайсами. Как правило, в 80% случаев проблема заключается именно в этом. Стоит отметить, что многие сервисы, вроде Spotify или iTunes, заточены специально под использование ЦАП. Сегодня существуют специальные док-станции, которые подключаются к плеерам iPod. Разумеется, сама акустическая система играет не последнюю роль в этом вопросе. Невозможно извлечь нормальный звук из динамика, возможности которого ограничены звуковыми характеристиками на уровне 20 -10 000 Гц. По этой причине не стоит использовать большинство предлагаемых устройств в виде наушников для мобильных систем. Что же касается рассмотренной выше технологии тестирования, то ее понимание будет невозможным без знания физических основ, объясняющих природу звуковых волн.