Далеко не каждый пользователь компьютера догадывается о том, что на самом деле представляет собой ЦАП. Звук слышат все, но вот каким образом он обрабатывается, как оказывается, представляют себе единицы. В рассмотрении этой темы придется немного углубиться в понимание природы звука и устройств его воспроизводящих.
Что такое ЦАП? Звук: основы понимания
Некоторые ошибочно считают, что ЦАП – это центральный аудиопроцессор. Отчасти так оно и есть. Но на самом деле ЦАП является частотно-аналоговым преобразователем, который и изменяет аудиосигнал до такого вида, который воспринимается человеческим слухом.
Здесь нужно делать разницу между цифровым и аналоговым сигналом. Технология, применяемая в «цифре» или при оцифровке аудио, подразумевает программные методы обработки, из-за чего многие поклонники виниловых пластинок слушать аналогичные записи на CD/DVD-дисках не могут только по причине отсутствия специфичного скрежета, издаваемого алмазной головкой проигрывателя при касании пластинки.
Аналоговая обработка впервые была применена в ламповых усилителях и катушечных магнитофонах. Такие устройства до сих пор пользуются особой популярностью среди профессиональных музыкантов, которые пытаются добавить в звучание своей композиции некой теплоты.
Частотные характеристики
Звук, ЦАП преобразовываемый и воспроизводимый, напрямую зависит от устройства вывода сигнала, то есть, звуковой карты. Но и это еще не все. Далеко не последнюю роль играют акустические системы в виде тех же колонок (громкоговорителей) и усилителей.
Тут нужно понимать, что ни одна система не воспроизведет звук с параметрами ниже возможностей саундкарты. На сегодняшний день, если не вдаваться в подробности функционирования таких устройств, оптимальными считаются следующие характеристики:
- частота дискретизации на уровне 48 кГц (хотя стандарт 44,1 кГц);
- глубина 24 или 32 бита (хотя стандарт 16 бит);
- битрейт 320 кбит/сек и выше (хотя стандарт 128 кбит/сек).
Дополнительные параметры
В качестве частотных параметров следует учитывать еще и то, что звук ЦАП преобразовывать может с применением параметров саунда, воспринимаемого человеческим слухом. Тут стоит остановиться на том, что именно мы можем слышать.
Ограничения нашего слуха находятся в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц (иногда 22 или даже 24, но это редкость). И все основные ЦАП звук обрабатывают именно в этом диапазоне. Далее остановимся на методике тестирования, предлагаемую одним из популярных интернет-ресурсов.
Предлагаемая методика тестирования ЦАП
За правило взято тестирование внешних устройств, а не интегрированных саундкарт, поскольку они, как считается, обладают характеристиками на порядок ниже в сравнении с внешним оборудованием.
В плане применяемого ПО для ЦАП качественный звук тестируется на основе технологии AudioDoctor FSQ 2006, которая, правда, изначально была разработана для проверки автомобильных аудиосистем, а только потом адаптирована к домашним условиям. Устройства, именуемые ЦАП, подключались напрямую через USB-интерфейс и посредством S/PDIF с использованием небалансных выходов RCA (балансные выходы XLR могут показывать совершенно другие характеристики).
Отдельная роль была отведена конвертеру M2Tech HiFace Evo, посредством которого производилась конвертация файлов в наиболее читабельный формат. В обязательном порядке производилось тестирование с применением драйверов ASIO.
Рейтинг микросхем ЦАПов по звуку
Что показал результат? Рейтинг ЦАПов по звуку выглядит примерно следующим образом:
- ASUS Essence III;
- Burson Audio Conductor Virtuoso 9018;
- Cary Audio DAC100;
- Chord 2Qute;
- Densen DenDAC 50;
- Fostex HP-A8;
- North Star Design Supremo;
- OPPO HA-1.
Очередность весьма условна, поскольку зачастую многое зависит даже не от звуковых характеристик, а от цены.
Однако Cary Audio в этом списке показывает наивысшие показатели и по звуку, и по расширению стереобазы. Кроме того, не стоит забывать, что рейтинг ЦАПов по звуку включает в себя некоторые недокументированные возможности устройств данного типа.
Использование звуковых карт
Преобразователи рассчитаны на применение в звуковых картах. Как же функционирует ЦАП? Звук (принцип работы это подтверждает) воспроизводится на основе преобразования цифрового сигнала на входе в виде двоичного кода, каждому значению которого соответствует определенное напряжение, ток и заряд.
АЦП-устройства работают по обратному принципу. Но если посмотреть именно на ЦАП, звук, описание преобразования которого будут рассмотрены ниже, воспроизводится исключительно на основе входного кода. Для его восприятия системой используется стандартная технология PCM. Многие, наверное, обращали внимание, что стандартные WAV-файлы помечаются именно как PCM.
Но мало только иметь в наличии ЦАП. Звук, обработка и воспроизведение сигнала невозможно без применения соответствующих программных инструментов, называемых кодеками. Они как раз и созданы для того, чтобы саундкарта могла распознать входящие данные и воспроизвести звук через громкоговорители. Кодеки и преобразователи в данном случае выступают в роли некоего моста между цифровым кодом и «железным» устройством (по типу того, как работает DirectX).
Звуковые карты, в которых за основу взято применение ЦАП, вы основном относятся к внешним устройствам, а не съемным, устанавливаемым в слоты на материнской плате, не говоря уже об интегрированных звуковых чипах вроде Intel Audio или Realtek.
ЦАП (внешний звуковой модуль имеется ввиду) способен обрабатывать собственными средствами (для этого он и создан). Но для передачи обработанного сигнала на устройство воспроизведения нужно, чтобы и оно работало корректно. А здесь без применения управляющих программ инициализации, называемых драйверами, не обойтись.
Драйверы устройств
Большинство звуковых карт операционными системами любого типа определяется автоматически. Драйверы устанавливаются из собственной базы данных. Но для некоторых устройств может потребоваться ручная инсталляция, причем не только драйверов, но и сопутствующих кодеков (например, пакет K-Lite Codec Pack).
Чтобы не заниматься подобного рода процедурами, для любого ЦАП с хорошим звуком производить установку или апдейт драйверов (поддержания их в актуальном состоянии) желательно с помощью специальных программ автоматического обновления. Одной из таковых является утилита Driver Booster, которая первоначально производит обращение на интернет-ресурс производителя оборудования, а затем скачивает самый свежий драйвер устройства, определяемого автоматически, и интегрирует его в систему.
Программное обеспечение
Обработка звука через ЦАП невозможна без соответствующего ПО. О кодеках и драйверах уже было сказано. Но вот настройка оптимального качества звучания или даже обработка аудиоинформации, как считают многие звукорежиссеры, не может производиться без применения программного комплекса.
Не говоря об установке драйверов, желательно иметь на компьютере программы вроде SoundMax. Такие утилиты, в отличие от тех же средств операционной системы, позволяют производить более тонкую настройку.
Для обработки аудио лучше использовать специализированные редакторы, в которых, кстати, можно изменять даже стандартные настройки, включая частоту дискретизации и глубину. А если параллельно будут установлены драйверы ASIO4ALL, в самой панели настройки саунда можно изменять такие характеристики, как количество сэмплов (например, 512, что соответствует скорости задержки 10 ms), не говоря уже о качестве звука (например, выставить значение не 44100 Гц, а, скажем, 48 или 96 кГц).
Мобильная техника
Лучший звук у смартфона с ЦАП можно оценивать весьма условно. Посудите сами, ведь для воспроизведения тех же низких частот нужен соответствующий динамик с диаметром 32 дюйма. А откуда в телефоне или планшете он возьмется?
Но предпочтение можно отдать производителям, которые изначально позиционируется, как первенцы в области обработки звука и основатели технологий этого типа. Корпорация Sony – тому яркое подтверждение.
При выборе устройства следует отдать предпочтение моделям с пластиковым корпусом, поскольку отражение звука в них по своим характеристикам и уровню намного выше. Металлические корпуса даже при условии установки самого мощного преобразователя выглядят намного более слабыми. Связано это только с тем, что металл поглощает звук. К тому же чем больше пространство между основным воспроизводящим динамиком и задней крышкой, тем лучше будет отражение. Но и переусердствовать не стоит, поскольку слишком большой зазор может вызвать появление побочных эффектов реверберации или хоруса, а проще говоря, искажения звука в его изначальном варианте.
Дополнительные характеристики
Как уже понятно, ЦАП звук обрабатывает на основе цифрового двоичного кода, используя для этого изменение напряжения и частоты тока. Но тут нужно еще понимать, что только такими характеристиками устройства этого типа не ограничиваются. Среди всех параметров, которые применяются в описании любого ЦАП можно встретить и многим непонятные значения вроде параметров частотно-волновой модуляции PCM. Это как раз и есть основной принцип работы абсолютно всех преобразователей.
В самом простом случае анализ входного сигнала и его преобразование строится на принципе суммирования значений напряжения, тока и заряда, которые в цифровом выражении могут принимать значения либо нуля, либо единицы (исходя из условий применения двоичного кода).
Отдельно стоит обратить внимание на такие параметры, как разрядность, иногда еще называемую разрешающей способностью или шагом квантования, передаточная характеристика, частота Найквиста (дискретизации), диапазон параметров входного сигнала, монотонность, выходной выброс при смене данных в определенный промежуток времени, погрешность смещения между действительным сигналом и параметром, принятом в качестве «идеального», интегральная и дифференциальная нелинейность отклонения характеристик при наблюдающейся разности приращений выходных сигналов.
Для ЦАП каждому значению двоичного кода может соответствовать один транзистор, на который посылается сигнал. Преобразователи по подключению делятся на параллельные и последовательные. Но все равно они обращаются к узлам электрической сети, взаимодействуя с выходом.
Большинство устройств построено на основе матрицы R – 2R, которая является одной из самых распространенных и ныне применяемых структур, использующих всего два значения сопротивлений, между собой находящихся в пропорции 2:1. Таким образом, тестирование ЦАП сводится к двум методам: определению напряжения и силы тока в нормальном и инверсном режиме. При этом достигается постоянство параметра импеданса и отсутствие емкостных токов. Но недостаток состоит в том, что для опорного источника главным условием является наличие очень низкого импеданса. Кроме того, нельзя для посыла сигнала использовать резистор, подключенный к опорному источнику последовательно. Зато в такой схеме подключения, как правило, не требуется производить заземление.
Отдельно стоит отметить так называемую сигма-дельта-модуляцию, которая отвечает за уровень частоты дискретизации. Преобразование (квантование) производится одним зарядом, который в десятки и даже сотни раз может превышать основную частоту Найквиста. Интерполяционный фильтр, применяемый на одном из этапов преобразования сигнала, меняет последовательность двоичного кода, добавляя нули для низкочастотных потоков данных и единицы – для высокочастотных.
Поскольку большинство проводников являются и активными, и реактивными, максимальная точность при тестировании достигается только в случае применения наименьших контуров возвратных токов, что способствует уменьшению индуктивности кабелей и, как следствие, - понижению шумов. В качестве примера можно привести даже гитарные педали эффектов. Гитаристы знают, что, чем длиннее шнур от гитары до «примочки», тем сильнее фон. Именно эта ситуация самым лучшим образом иллюстрирует понимание сути вопроса.
ЦАП к нагрузке напрямую подключить можно. Но для этого должно использоваться дополнительное устройство вроде повторителя напряжения или инвертирующий ОУ, выступающие в качестве буфера или устройства согласования. При этом отдельно стоит остановиться на вопросе заземления любой схемы. Рекомендуется использовать создание отдельных полигонов для цифровой и аналоговой части, поскольку шумы от цифровых компонентов могут влиять на аналоговую часть сети. Достигается это применением тонкого проводника или использованием двух внутренних слоев через двойное отверстие.
Вместо итога
Конечно, здесь были рассмотрены некоторые научные принципы и даже вопросы технические, которые рядовому пользователю, в общем-то, совершенно ни к чему. Но, если задуматься, иногда знание теории может очень сильно пригодиться. Тот же выбор звуковой карты не может обойтись без знания основных аспектов, касающихся принципов ее работы и корректного функционирования в компьютерной системе.
Быть может, некоторые пользователи еще не поняли, что низкое качество звука, воспроизводимого через колонки, напрямую связано с применяемым оборудованием. При этом саундкарта, используемая для воспроизведения преобразованного цифрового сигнала в его аналоговом виде, должна быть только внешнего типа. Именно такие устройства позволяют услышать все то, что интегрированными или съемными девайсами не воспроизводится. Как считается, в 80 процентах случаев проблема состоит именно в этом. Кстати сказать, многие сервисы вроде iTunes, Spotify или что-то еще «заточены» как раз под использование ЦАПов. Существуют даже специальные док-станции в виде внешних устройств, подключаемых к плеерам iPod, не говоря уже об остальных мобильных гаджетах.
Само собой разумеется, что не последнюю роль играет и акустическая система, и наушники, ведь извлечь нормальный звук из динамика, возможности которого ограничены звуковыми характеристиками на уровне 20-10 000 Гц, будет просто невозможно. Поэтому большинство предлагаемых устройств в виде наушников для мобильных систем использовать не стоит. Если уж на то пошло, почему бы не слушать музыку в наушниках K99, производимых компанией AKG, или использовать аналогичные аппараты от Sennheiser? Впрочем, выбор сегодня достаточно велик.
Что же касается технологии тестирования, которая была рассмотрена выше, ее понимание невозможно хотя бы без начальных знаний физики, объясняющей природу звуковых волн, и даже электротехники, поскольку эта дисциплина дает основу для того, чтобы разобраться в любой электрической схеме. И, конечно, здесь были приведены только основные краткие сведения, касающиеся преобразователей сигнала. Чтобы разобраться в этом вопросе наиболее полно, желательно почитать дополнительную литературу.
