Знакомство

При использовании дискретизации 24/192 (рис. 2) присутствуют те же гармоники, и они немного более заметны, потому что уровень шума ниже.

На рисунке 3 ниже показано испытание IMD с использованием синусоидальных волн частотой 60 Гц и 7 кГц. Какие бы пики IM там ни были, они настолько низкие, что их не видно.

Выборка 24/192 позволяет увидеть пики IM (Рисунок 4). Пики IM расположены на небольшом расширении основания пика синусоиды 7 кГц.

Похоже, что MA3i использует 10 дБ формирования шума выше 27 кГц. Вы можете увидеть рост шума выше 27 кГц в спектре ниже. Уровень шума в диапазоне 27 кГц и выше составляет -120 дБ по сравнению с -130 дБ в слышимом диапазоне. Функция формирования шума перемещает шум из слышимой полосы в области, расположенные выше слышимой полосы (20 Гц – 20 кГц). Это умный метод снижения шума в слышимом диапазоне. О том, как используется формирование шума, вы можете прочитать в в этой статье, которую я писал в 2017 году.

Использование синусоидальных волн 19 кГц и 20 кГц приводит к одному и тому же – почти неразличимым боковым пикам (рис. 5). И, по сути, нет пика B-A на частоте 1 кГц. Прекрасный!

При выборке 24/192 видны некоторые очень крошечные боковые пики (Рисунок 6), и я имею в виду крошечные.

Частотная характеристика в точках 16/44.1 (желтая линия), 24/96 (красная линия) и 24/192 (зеленая линия) показаны на рисунке 7. 16/44.1 имеет быстрый спуск, в то время как 24/96 и 24/192 имеют характеристики медленного ската. Измеряемая характеристика составляет 10 Гц – 50 кГц минус 1,5 дБ.

Линейность показана на рисунке 8. 16/44.1 падает примерно на -97 дБ, в то время как 24/96 и 24/192 падают на -119 дБ.

Тесты на джиттер показаны на рисунках 9 и 10 ниже (рисунок 9 — 16/44, а рисунок 10 — 24/192). Я вставил 1 мкс синусоидального джиттера 1 кГц в тестовый сигнал 10 кГц, и ЦАП Meitner MA3i декодировал дрожащий сигнал. Вывод показан на рисунках. Если бы MA3i пропускал джиттер, то на частотах 9 кГц и 11 кГц были бы большие боковые пики. Таких пиков нет, поэтому MA3i имеет схему повторной синхронизации, и она хорошо справляется со своей задачей. Причина, по которой это важно, заключается в том, что при использовании ЦАП, подключенного через USB к ноутбуку, который транслирует цифровую музыку на ЦАП, сигнал может сильно дрожать. Именно так устроен USB.

Вот несколько спектров из различных музыкальных альбомов на Qobuz, которые я транслировал на ЦАП MA3i.

Я подтвердил, что ЦАП MA3i может принимать 32/384 PCM. Ниже показан пример теста на частоте 1 кГц. В данном случае я увеличил громкость до 100. Искажения были настолько низкими в предыдущих тестах, что мне захотелось узнать, на что способен этот ЦАП. Как видите, искажения все еще находятся на уровне -115 дБ на полной громкости. Это какая-то электроника! Я не помню, чтобы когда-либо видел Hi-Fi продукт, в котором практически не было бы искажений, а все было бы вывернуто на максимум. Он должен иметь очень большой блок питания.

MA3i также может работать с DSD. Вот спектр с DSD64. Обратите внимание, что общее количество формируемых шумов довольно велико. Это связано с формированием шума, присущим MA3i, а также с формированием шума в тестовом сигнале DSD64, который начинается с частоты 22 кГц.

В DSD128, который MA3i также принимает, присущее MA3i шумообразование является единственным присутствующим шумом. DSD128 формирует шум на частоте выше 50 кГц.

А вот изображение частотной характеристики на 32/384. AudioPrecision не создает и не анализирует 32/384, поэтому я измерил уровень выходного сигнала дБВ на разных частотах. Точка доступа просто отображает аналоговый вход на этих частотах после того, как MA3i декодирует их. В этом наборе я измерил АЧ на полном объеме (100) на MA3i, а цифровые тестовые сигналы — на -5 dBFS.

Вы можете видеть, что отклик снизился на 0,5 дБ на 22 кГц, на 1 дБ на 36 кГц и на 2 дБ на 50 кГц. Падение отклика становится более резким после 50 кГц, а при 100 кГц отклик снижается на 7 дБ и так далее. Несмотря на то, что отклик значительно снизился на частоте 191,5 кГц, это далеко за пределами нашего слуха. Таким образом, полезная характеристика составляет около 50 кГц для тех, кто любит, чтобы их музыка с высоким разрешением имела все частоты, которые может создать симфонический оркестр. Что я действительно хотел сделать, так это просто убедиться, что MA3i может справиться с 32/384, и он точно справится.

Ниже приведена кривая частотной характеристики с данными, полученными при использовании значения громкости 98 и входом тестовых частот в ЦАП на уровне –5 dBFS. Кривая выглядит как продолжение кривой 24/192, показанной на рисунке 7. Снижение отклика таким образом является хорошей идеей, потому что мы не можем слышать 100 кГц – 190 кГц, и это поможет предотвратить попадание радиочастотных эффектов в слышимую полосу.

Увеличенный ответ показан ниже. Вы можете видеть, что отклик снизился на 1 дБ на частоте 36 кГц (с 6,6 дБВ до 5,6 дБВ).

Несмотря на то, что музыка с высоким разрешением в настоящее время широко распространена, было бы заблуждением думать, что мы можем слышать что-либо выше 20 кГц. Исследование, проведенное в 2013 году Р. Сингхом, Р. Саксеной и С. Варшней, опубликованное в TheInternet Journalof Otorhinolarhology под названием «Раннее обнаружение потери слуха, вызванной шумом, с помощью аудиометрии сверхвысоких частот» (https://ispub.com/IJORL/10/2/4039) показывает, что даже когда мы молоды, наш порог для слышимости высоких частот низок по сравнению со средними и низкими частотами.

Порог быстро ухудшается на протяжении взрослого возраста, и он ускоряется под воздействием шума (см. рисунок ниже). Посмотрите, как быстро порог увеличивается ниже 16 кГц (порог — это громкость, необходимая для того, чтобы услышать частоту), даже когда мы молоды (порог для всех возрастных групп на 20 кГц составляет от примерно 95 дБ SPL до около 108 дБ SPL в закрытой испытательной камере, где нет окружающего шума в помещении). Это более реалистичный верхний предел нашего слуха. Дело в том, что формирование шума, начинающееся с частоты 22 кГц, не повлияет на то, что мы можем реально слышать в музыкальных файлах DSD.

Теперь давайте посмотрим на спектры музыки, передаваемой из Qobuz в MA3i с использованием входа NET и выбранной с помощью моего телефона и приложения MConnect.

Альбом Art Pepper имеет формат 16/44.1, но спектр показывает, что есть дополнительный сигнал выше 22 кГц. На самом деле это может быть 24/96. Потоковая музыка похожа на «Жизнь похожа на коробку шоколадных конфет, никогда не знаешь, что получишь».

Вот спектр из альбома ArtPepper, транслируемый с MA3i, подключенного к моей сети и управляемого приложением для телефона MConnect. Это не совсем то же самое место, но я хотел показать некоторые дополнительные данные. Обратите внимание, что в диапазоне 37 кГц – 45 кГц определенно есть некоторые пики сигнала. Небольшое падение на частоте 22 кГц предполагает, что изначально это мог быть рендеринг 16/44.1.

Скрипка Энн Акико Майерс имеет множество гармоник, которые являются частью звучания скрипки. Это альбом формата 24/96. Вы можете видеть скрипичные гармоники вплоть до 37 кГц. Разве не было бы здорово, если бы мы могли их слышать? Верхний диапазон выше, чем формирование шума -120 дБ, поэтому он не влияет на музыку. Однако мы не можем слышать или ощущать звук в диапазоне 35 кГц.

Орган может воспроизводить глубокие звуки до 20 Гц, может быть, даже ниже. Этот альбом имеет формат 16/44.1, но в нем также есть сигнал выше 22 кГц.

Итак, большинство из вас задумывается: «Зачем тратить столько денег на ЦАП?»

Возникает вопрос: «Какой смысл покупать высококачественный и дорогой ЦАП, если я не вижу разницы между дорогим ЦАП и более дешевыми ЦАПами, которые имеют немного больше искажений?»

Понимание искажений в системах Hi-Fi
Искажения в системе Hi-Fi относятся к любому изменению звукового сигнала при его прохождении через такие компоненты, как усилители, динамики и проигрыватели виниловых пластинок, что влияет на качество звука. Каждый компонент может вносить различные типы искажений, такие как гармонические, интермодуляционные, фазовые искажения или искажения частотной характеристики, а также шум.

Как сочетаются искажения
Когда аудиосигналы проходят через несколько компонентов последовательно, искажения от каждого компонента не просто суммируются линейно во всех случаях. Например, если один компонент вносит искажения второй гармоники, а другой — искажения третьей гармоники, их вклад в конечный результат зависит от того, как эти искажения взаимодействуют. Исследования показывают, что для одного и того же типа гармонических искажений, таких как гармоника 2-го порядка, амплитуды могут добавляться линейно, но для разных типов могут быть сгенерированы новые гармоники, что усложняет общее искажение.
Для малых искажений представляется вероятным, что полное гармоническое искажение (THD) может быть аппроксимировано как квадратный корень из суммы квадратов отдельных THD, предполагая, что они не коррелированы. Однако на практике искажения могут усугубляться, при этом каждый компонент искажает как исходный сигнал, так и уже искаженный сигнал от предыдущих компонентов, что приводит к более сложному взаимодействию.

Практическое значение
Учитывая сложность, на искажения конечного результата влияет цепочка компонентов, и минимизация искажений на каждом этапе имеет решающее значение для высококачественного звука. Например, усилители и колонки вносят свой вклад по-разному, причем динамики часто вносят более заметные искажения из-за своей механической природы.

Справочная информация о системах Hi-Fi и искажениях
Система Hi-Fi предназначена для воспроизведения звука с минимальными искажениями и включает в себя такие компоненты, как усилители, динамики, проигрыватели виниловых пластинок и цифровые источники, такие как ЦАП и проигрыватели компакт-дисков. Искажение в терминах аудио относится к любому отклонению выходного сигнала от входного, изменяющему форму волны и потенциально ухудшающему качество звука. К распространенным типам относятся:

Каждый компонент в цепочке – источник, предусилитель, усилитель мощности и динамики – может вносить эти искажения, и вопрос в том, накапливаются ли они на конечном выходе.

Теоретический анализ накопления искажений
Чтобы понять, как складываются искажения, рассмотрим систему Hi-Fi как ряд компонентов, каждый из которых обрабатывает сигнал последовательно. Для двух компонентов, A и B, если компонент A выдает сигнал yA(t) = fA(x(t)), где x(t) — вход, а fA включает искажения, а компонент B выводит y(t) = fB(yA(t)), то суммарные искажения являются результатом fB приложенный к уже искаженному сигналу от А. Этот эффект сложения предполагает, что искажения не просто линейно складываются, а взаимодействуют сложным образом.

Для гармонических искажений, если компонент A вносит искажение второй гармоники (например, y = x+ax2), а компонент B также вносит искажение второй гармоники (например, z = y+by2), то комбинированный выход z = x+ax2 + b(x+ax2)² включает в себя такие члены, как (a+b)x2, указывая на то, что амплитуды второй гармоники складываются линейно для одного и того же порядка.

Однако, если компонент B вносит искажение третьей гармоники (например, z = y+cy3), новые гармоники могут возникнуть в результате взаимодействий, таких как третьи гармоники из c(x+ax2)³, которые включают cx3 и члены более высокого порядка, включающие a.

Исследования показывают, что для малых искажений полное THD (полное гармоническое искажение) может быть аппроксимировано как квадратный корень из суммы квадратов отдельных THD, подобно сложению шума в линейных системах. Например, если компонент A имеет THD_A, а компонент B — THD_B, то общий THD может быть равен

предполагая некоррелированные искажения. Однако это приближение лучше подходит для линейных искажений и может не полностью охватывать нелинейные взаимодействия.

Эмпирические данные и искажения, специфичные для конкретных компонентов
Эмпирические исследования показывают, что динамики часто вносят более значительные искажения (около 1%) по сравнению с усилителями (менее 0,01%) из-за их механической природы. Эта разница возникает из-за того, что динамики создают гармоники низкого порядка и интермодуляционные искажения, в то время как твердотельные усилители могут вносить перекрестные искажения, слышимые выше 0,3%.
В каскадной системе искажения от первого компонента передаются следующему, который затем искажает как исходный сигнал, так и искаженную часть. Например, если усилитель подает 0,1% КНИ, а динамик добавляет еще 1%, общее искажение составляет не просто 1,1%, а включает взаимодействия, которые могут усиливать определенные гармоники.

Математическое моделирование и аппроксимации
Чтобы смоделировать это, рассмотрим простой случай, когда каждый компонент имеет разложение степенного ряда: y = a1x + a2x2 + a3x3 + . . . Для двух последовательно идущих компонентов общей передаточной функцией является композиция, а для входной синусоидальной волны x = Xcos (ωt) выходной сигнал включает гармоники с кратностью ω. Для искажений второго порядка амплитуда второй гармоники добавляется линейно (например, (a+b)X²/2), но для смешанных порядков появляются новые гармоники.
Для практических систем Hi-Fi, где искажения обычно невелики (например, ниже 0,1%), общее искажение часто аппроксимируется как аддитивное, но это упрощение может упустить из виду взаимодействия, особенно при больших объемах или при нелинейных нагрузках.

Практическое применение для проектирования Hi-Fi
Учитывая эти результаты, минимизация искажений на каждом этапе имеет решающее значение. Например, выбор усилителей с низким коэффициентом КНИ (например, ниже 0,01%) и динамиков с контролируемыми гармоническими искажениями может уменьшить кумулятивные эффекты. Пользовательский опыт, например, на аудио- и видеофорумах, подчеркивает, что искажения могут стать заметными при взаимодействии компонентов, что говорит о том, что при проектировании системы необходимо учитывать кумулятивные эффекты.

Таблица: Пример вклада искажений в системе Hi-Fi
Ниже приведена гипотетическая таблица, иллюстрирующая, как искажения могут складываться для двух компонентов, предполагая малый THD и линейное сложение для простоты:

Фактический общий КНИ может варьироваться в зависимости от взаимодействия.
Таким образом, искажения в каждом компоненте Hi-Fi системы действительно складываются в конечный результат, но накопление является сложным процессом, включающим линейные добавления для похожих гармоник и потенциальную генерацию новых гармоник в результате взаимодействий. Для небольших искажений используются приближения

но реальные системы требуют тщательного проектирования для смягчения кумулятивных эффектов, особенно учитывая различный вклад усилителей и динамиков.

Поскольку искажения каждого компонента в сигнальном тракте так или иначе суммируются, кажется хорошей идеей получить компоненты самого высокого качества на всем пути.