Steve Nugent — президент Empirical Audio в городе Бенд, штат Орегон. Раньше работал инженером в компании Intel, обладатель множества патентов в области инженерной электроники, так что он достаточно квалифицирован, чтобы рассуждать о компьютерном транспорте и адекватно оценить недостатки CD-транспорта. Эта статья — попытка объяснить, что воспроизведение аудио с компьютера имеет ряд преимуществ по сравнению с привычными нам транспортами на CD, SACD, DVD. И уж точно система на базе компьютера может гордо именоваться High-End!

«Я уверен, будущее высококачественного аудио за воспроизведением музыки с компьютера, а не за дисками. У компьютеров много эргономических преимуществ: на них можно создавать плэй-листы из любимых композиций, загружать песни прямо из сети, хранить информацию о любимых исполнителях - и все это с помощью файлов и папок! К тому же, есть ещё и ряд технических характеристик, по которым компьютеры значительно превосходят современные оптические плееры по одному, но, пожалуй, самому главному преимуществу - очень низкому уровню джиттера (имеется в виду джиттер данных, т.к. сам CD-носитель в этом плане несовершенен: битовая последовательность не меняется, но размер питов варьируется, — примечание переводчика)»

Джиттер

Джиттер — характерная черта цифровых сигналов; особенно «клока» (clock — высокоточные «часы», задача которых обеспечить одинаковое временное соответствие тактов, — примечание переводчика), который задает, так сказать, расписание (или тайминги) для данных, перемещаемых из точки А в точку B в любой синхронизированной цифровой системе. С каждым тактом цифровая система либо обрабатывает какие-то цифровые данные, либо перемещает их (данные) все ближе и ближе к точке В. Джиттер можно описать как непостоянство во времени; то есть какой-то процесс, регулируемый «клоком», происходит либо до, либо после того самого момента, когда он по идее должен произойти, — примерно то же самое, как когда секундная стрелка на часах двигается, но отдельное тиканье мы не всегда слышим именно с интервалом в одну секунду. Когда-то интервал чуть короче секунды, когда-то чуть длиннее, ну а в среднем все равно получается секунда, так что фактически по прошествии нескольких секунд время не «теряется». Джиттер — это разница между самой короткой и самой длинной секундой. В цифровых аудиосистемах единицами измерения джиттера служат наносекунды, и даже пикосекунды.

В каждой синхронизированной цифровой системе данные и тайминги имеют свои характерные свойства. В каких-то системах, например, в компьютерах, где для большинства процессов нужно только, чтобы данные передались неповрежденными, джиттер данных не так уж и важен (ну, с условием того, что соблюдены все требования к таймингам микросхемы). «Клок» нужен только для того, чтобы переместить данные из точки А в точку В, а время прибытия в точку В каждого отдельного пакета данных может немного варьироваться, - на самом процессе это никак не отразится, он как бы происходит в non-real time (вне зависимости от реального времени, — примечание переводчика). Кстати, в большинстве главных «клоков» на современных компьютерах джиттер нарочно присутствует: это помогает ограничить радиочастотное излучение компьютера, и таким образом он (компьютер) проходит тест соответствия FCC. 

Цифровые же аудиосистемы отличаются от описанных ранее: чтобы воспроизвести исходную запись, они используют как данные, так и тайминги. Поток данных передается в режиме реального времени. Тайминги должны соответствовать оригинальной частоте дискретизации, которую использовали при создании записи; это нужно, чтобы точно воспроизвести аналоговый сигнал. ЦАП специально запрограммирован так, что единичные пакеты данных в нем воспроизводились с постоянным темпом. Как частота дискретизации, так и джиттер «клока» могут повлиять на точность воспроизведения: глубина и скорость музыки могут измениться, а в некоторых системах даже присутствует потеря части сигнала, если данные не поступают в конкретный момент времени. Джиттер проявляет себя в качестве частотной модуляции, которую, кстати, тоже можно услышать. Было опубликовано несколько работ, где исследователи измеряли джиттер и пытались найти соотношение между ним и слышимостью. Естественно, как и все аудиофильные исследования, эти тоже оказались весьма противоречивыми. Как и в случае всех слуховых наблюдений, точность подобных исследований сильно зависит от характеристик системы, самой записи, да и остроты слуха слушателя (подготовленности его к подобного рода тестам, умению распознавать мельчайшие нюансы и т.п., - дополнение переводчика).

Как бы то ни было, исследования эти показали, что джиттер реально можно услышать, по крайней мере в десятках наносекунд. Мне кажется, что джиттер намного более скрытен и частотные диапазоны напрямую связаны с его слышимостью. В системе, на которую я лично ссылаюсь, я делал кое-какие усовершенствования; совершенно точно знаю, что джиттер больше чем на пару наносекунд они не сокращали, но в то же время улучшения в звучании были весомыми. Появляется все больше оснований (построенных, правда, на отдельных примерах) полагать, что некоторые диапазоны джиттера можно услышать и существенно ниже 1 наносекунды. 

Что способствует возникновению джиттера? 

Есть ряд составлявших любой цифровой аудиосистемы, которые значительно способствуют возникновению джиттера. Среди них:

1. Запись музыки на болванки (несоответствие питов).
2. То, как оптическая головка транспорта читает носитель. 
3. Джиттер главного «клока» транспорта и джиттер DAC'а. 
4. Передача через S/PDIF
5. Рассеивание/рассредоточение сигнала по S/PDIF или AES/EBU кабелю
6. Электрические-оптические-электрические преобразования в интерфейсе Toslink
7. Преобразование S/PDIF в данные.
8. Шумные источники электропитания и шум заземления.

1. «Нарезка» на CD

«Нарезка» на CD несет в себе как данные, так и тайминги. Данные выжигаются на поверхности, а тайминги — в их физическом расположении на диске. Когда создаются диски, даже в нарезке первого оригинала есть джиттер, а в процессе производства копий его (джиттера) становится все больше и больше. Это нетрудно определить. Если вы перезапишите диск с помощью хорошего CD-рекордера, дубликат, скорее всего, будет звучать несколько лучше оригинала. Это мне продемонстрировал Марк Хэмптон из Zcable, который создал несколько замечательных CD-R и поделился некоторыми из них на CES2005 году в Лас Вегасе (интересно, что же за болванки это были.. не иначе как Ultradisc^TM 24 KT Gold CD-R). Улучшение в качестве было вовсе не еле уловимое. Несколько других производителей перезаписывают CD на CD-R для собственного использования и даже настаивают на использовании особых CD-R носителей.

2. Как оптическая головка читает нарезку

Оптическая головка на CD-транспорте распознает «нарезку» по отражению лазера; она должна различать между "один" и "ноль". Точный момент, в который головка считывает биты, варьируется в зависимости от вибрации, глубины нарезки, электрошума, оптики, грязи на диске и других факторов. 

3. Главный «клок» транспорта

Главные «клок» отвечает за синхронизацию: диск должен вращаться с постоянной угловой скоростью, чтобы сохранить темп и ритм оригинальной записи. Он («клок») также отвечает за перемещение данных через буфер, пока они не будут отправлены на цифровой выход. Это основной источник джиттера в транспорте. Замена стандартного «клока» на аналог с ультранизким уровнем джиттера может в значительной степени улучшить транспорт. В некоторых более сложных системах есть некий словесный «клок», представляющий собой счетчик, либо берущий точку отсчета из ЦАП'а, либо вообще находящийся вне CD-плеера, и он-то хронометрирует/отвечает за время всей системы. «Словесный «клок» может помочь уменьшить джиттер, но в то же время он сам страдает от многих факторов. Некоторые ЦАП'ы асинхронно повышают частоту дискретизации данных, используя местный счетчик. Это может как добавить, так и сократить уровень джиттера в зависимости от «обвязки» ЦАП'а. 

4. Передача S/PDIF сигнала

В типичном CD или DVD плеере есть несколько микросхем и буферов, по которым должны пройти данные до того, как они выйдут из транспорта в качестве S/PDIF-сигнала. Эти переходы могут поспособствовать возникновению джиттера, если схема недостаточно хорошо защищена от наводок или помех по питанию.

5. Передача данных по цифровому кабелю и оптическое преобразование
 
Если цифровой кабель — это S/PDIF коаксиальный кабель или AES/EBU кабель, то есть по меньшей мере 2 фактора, способствующие возникновению джиттера: «отражения» в результате несоответствия сопротивлений и дисперсия вследствие потери и изменения пакета данных. «Отражения» могут возникнут, когда кабель, выход или вход неправильно подобраны к импедансу. Из-за потерь в передаче посылка импульсов может «расплющиваться», а это, в свою очередь, заставит края (имеются в виду края импульсов) колебаться в зависимости от характера/формата данных. Длина кабеля тоже влияет на «отражения», которые в свою очередь увеличивают джиттер.

6. Оптические преобразования

Tolsnik — это наихудший из всех интерфейсов; его электрико-оптические и оптико-электрические преобразования настолько несовершенны, что являются причиной возникновения большого джиттера. Tolsnik создает дополнительные фазы, через которые в свою очередь должны быть синхронизированы по времени. Когда же они проходят через эти фазы, они легко «подбирают» джиттер из-за силового шума и неуверенности в том, когда же следующие логические изменения станут определены.

7. Восстановление «клока» после S/PDIF сигнала

Это происходит в DAC, обычно в микросхеме «приемника». Самый первый источник джиттера там — выявление/обнаружение S/PDIF сигнала. Если не каждые крайние точки перехода выявляются при абсолютно одинаковом напряжении, джиттер неизменно появляется. Шум источника электропитания, шум заземления и перемена температуры в приемнике может очень сильно изменить то самое напряжение, при котором выявляются конечные точки перехода. Если переходы происходят слишком медленно (типичные, кстати, 20-25 наносекунд), тогда степень их выявления еще больше варьируется, а это значит... да, больше джиттера! 

8. Шумные источники электропитания и шум заземления

Шумные источники электропитания, шум заземления, неидеально отрегулированные напряжение и подача питания - все это может прибавить искажений сигналу. 

Когда используешь компьютер в качестве транспорта — это обычно устраняет вышеперечисленные проблемы 1, 2 и 3. А иногда это может и позаботится о проблемах 4, 5, 6, 7 и 8 (если даже они не исчезнут, то по крайней мере сведутся к минимуму).

Компьютерные аудио приемы

Воспроизведение аудио с компьютера возможно тремя методами, у каждого есть свои преимущества и недостатки. 
Первый метод заключался в использовании звуковых плат на шине PCI, в которых находился конвертер цифрового сигнала в аналоговый, а иногда в них еще были S/PDIF цифровой выход. Сегодня можно купить внешние конвертеры, либо с USB или Firewire интерфейсом, либо беспроводные с технологией 802.11g Wi-Fi.

У PCI звуковых карт есть недостаток: у них источник электропитания тот же, что и у PCI-шины компьютера. Он (источник питания) обычно очень шумный, и поэтому тяжело добиться высококачественного выхода от этих карт. Так же у них лимитированная способность к форм-фактору и охлаждению. Существуют достаточно жесткие ограничения по длине межблочного кабеля, когда используются S/PDIF или аналоговые выходы, и по этим параметрам компьютер и аудио системы идут примерно наравне. Питание переменного тока компьютера тоже может поспособствовать образованию гула в аудио системе. Часто рекомендуют использовать внешние звуковые карты. 

Беспроводные аудио-интерфейсы, как правило, работают через Ethernet. У них тоже есть свои недостатки. Беспроводной сетью обычно пользуются и другие приборы, например принтеры или другие компьютеры сети. Система Ethernet в принципе позволяет каким угодно приборам к себе подключатся, а потому эти самые многочисленные приборы могут просто напросто поглотит сеть и стать причиной «выбросов» в аудио потоке. Современные беспроводные приборы к тому же ограничены по частоте дискретизации - всего 44.1kHz, поэтому более высокие частоты дискретизации данных, например, самые обычные 24-бит/96kHz просто не поддерживаются. Преимущество беспроводных приборов в том, что они никак не прикреплены к компьютеру, и поставить их можно на сколь угодно большом расстоянии как от компьютера, так и от слушателя. Они могут хронометрировать данные с помощью очень устойчивых и надежных «клоков», и источник их электропитания тоже отделен от компьютера; они, по идее, даже от батареек могут работать. 

Понятное дело, что у USB и Firewire конвертеров тоже свои недостатки. Во-первых, они не беспроводные (что логично), а у кабелей, конечно же, есть некие ограничения по длине. Преимущества же заключаются в широте пропускания и поддержки 24-bit/96 kHz, а также в том, что они тоже удалены от компьютера и используют собственный источник электропитания, в том числе и батарейки. С помощью этих конвертеров сегодня можно добиться воспроизведения звука наилучшего качества. 

«Просто включи» (“turn-key”)компьютерные аудиосервера работают по одному из вышеописанных способов, но в них нет необходимости настраивать ПО, что значительно облегчает использование компьютера в качестве транспорта, особенно для тех, кто в компьютерах не особо разбирается. 

Проигрывание музыки с жесткого диска

Жесткий диск не читает данные, как CD-плеер. Когда компьютер отправляет аудио поток в на выход (например, USB), процессор сначала читает данные с жесткого диска как бы урывками, и задерживает отдельные кусочки информации в памяти. А потом уже эта информация буферизуется и поступает на выход непрерывным потоком. Информация последовательно поступает так, чтобы буфер кэша был полным, а аудио поток — непрерывным. ПО часто дает возможность выбрать размер кэша. Данные, передающиеся из USB порта - это всего лишь данные, в них нету точных таймингов. Тем не менее, им надо идти в ногу с запросом, а то появятся «выбросы». Средний уровень данных должен соответствовать уровню записи. С какими-то USB протоколами «выбросы» случаются чаще, особенно если процессор загружен несколькими одновременно запущенными задачами по расписанию. А вот вам, кстати, неплохое основание поставить перед компьютером только одну основную задачу. 

Как внешние конвертеры могут сократить уровень джиттера

Во внешнем USB-конвертере данные принимаются от отправляющего компьютера, но плюс еще к ним добавляется точная информация о таймингах. То есть джиттер «клока» компьютера может быть легко устранен. Интерфейс затем преобразуется в такой, который легко поймет и прочитает DAC (например, S/PDIF, AES/EBU или I2S - «нативный» интерфейс DAC'а). «Клок», отвечающий за тайминги, может быть очень точным и он никак не зависят от уровня данных, поступающих из вращающегося диска, как в CD-плеере, или уровня, с которого жесткий диск считывает информацию. Тем не менее, этот «клок» зависит от того, насколько непрерывен поток данных с компьютера. Источник электропитания и даже заземление можно обособить от компьютера. А питание можно еще улучшить, если использовать батарейки/аккумулятор.

Существуют 3 USB протокола, которые отвечают за непрерывный поток данных: synchronous, adaptive, и asynchronous. Лучше меня вам про них расскажет эксперт John Swenson, который целую статью про это написал:

http://www.audioasylum.com/forums/pcaudio/messages/7719.html

Если вы прочитаете эту ссылку, вам станет ясно, что есть несколько способов внедрить USB interface в аудио систему, и у каждого из них есть свои подводные камни. Даже сами производители DAC'ов ломали голову, какой же из этих способов лучше. К счастью, если скорость у процессора хорошая, объем памяти достаточный и есть «шустрый» жесткий диск, - проблемы можно свести к минимуму.

«Треск и тиканье»

С современными USB конвертерами, передача данных через USB склонна к отставанию; это значит, что USB требует данные, а компьютер тормозит и поставляет их не вовремя. Из-за этого сложно сделать так, чтобы поток данных в реальном времени не отставал. Когда это происходит, в музыке появляются треск и тиканье. Чаще всего это происходит в системах, которые повышают частоту дискретизации записи (upsampling) на компьютере, а для этого им требуются множество операций процессора, и к тому же надо соревноваться с потоком данных, поставляемых в USB порт. К счастью, можно предпринять пару шагов для устранения этого треска, в частности:
1. Во время использования компьютера проигрывать только звукозаписи и не загружать процессор посторонними задачами
2. Дефрагментировать диск, на котором находятся разрозненные музыкальные данные
3. Выключить все остальные приложения и оставить только проигрыватель, например iTunes, Jriver или Foobar2000
4. Проигрыватель должен иметь приоритет
5. Отрегулировать размеры буфера в настройках проигрывателя
6. Убедиться, что в компьютере или лэптопе достаточная скорость процессора
7. Убедиться, что объем памяти ОЗУ достаточный для кэширования данных
8. Выбрать жесткий диск с хорошими характеристиками по скорости поиска и вращения шпинделя.

I2S

I2S или I-squared-S — это интерфейс некоторых видов транспорта, например Audio Alchemy, нескольких DAC, типа the Perpetual Technologies P-3A и the Northstar 24/192, но этот интерфейс не часто встречается. I2S — замена более известному цифровому коаксиальному кабелю или S/PDIF, характерных для большинства CD- и DVD-аудио. I2S — 4-сигнальный (или 4-проводной интерфейс), который состоит из 2 частей: L/R каналов и сигнала данных. У этого интерфейса много преимуществ; например, в отличие от S/PDIF, в нем есть «бит-клок», а это устраняет 7ой фактор возникновения джиттера. Еще одно преимущество — это то, что это все-таки "родной" интерфейс для большинства DAC'ов. А это, в свою очередь, сокращает количество оборудования (hardware), через которое должны пройти сигналы данных и часов. Как и в случае с большинством аудио оборудования — чем проще - тем лучше, и системы, которые мы описываем, не исключение. В системах с I2S-интерфейсом джиттер «клока» значительно сокращается, хотя и не исчезает полностью. Да и вообще возможно даже с таким интерфейсом наблюдать достаточно много джиттера, если интерфейс неверно установлен. Интерфейс, который напрямую преобразует USB, Firewire или Wi-Fi с компьютера в I2S-интерфейс DAC'а, имеет необходимый потенциал «переплюнуть» все современные технологии, если его грамотно использовать.

Повышение частоты дискретизации на компьютере (апсэмплинг)

Апсэмплинг — это одно из самих больших преимуществ, которыми обладает компьютер как музыкальный транспорт. Цифровая музыка записывается с определенной частотой дискретизации, обычно 44.1KHz в секунду на CD. Апсэмплинг (или resampling) прибавляет к песне то, чего в оригинале не было, но музыка как бы апроксимируется, «предугадывается». Добавленные частоты подсчитываются с помощью множества математических алгоритмов, которые изучают музыкальные волны до и после временного интервала, в который вставляются новые фрагменты. Эти вставки не только делают музыку более красочной, они еще и улучшают динамику. 
Весь секрет в алгоритмах. Я лично убедился, что некоторые компьютерные апсэмплинг-алгоритмы более музыкальные и развернутые, чем аппаратные, которые мне довелось услышать. Существуют несколько апсэмплинг-плагинов, которые можно добавить, например, к проигрывателю Foobar2000. Я думаю, в будущем появятся еще больше этих апсэмплинг-алгоритмов, хотя делать их хорошо — это тоже своего рода искусство. 
Еще один плюс апсэмплинга в том, что конфигурацию ПО можно менять и подстраивать под личные звуковые предпочтения.

Итог

Компьютерный аудио-транспорт придает CD формату второе дыхание, предоставляя нам все новые и новые способы «выжать» из CD-треков то, на что они реально способны. Те, кто обнаружил для себя производительные и эргономические достоинства этой новой технологии, стали получать еще больше удовольствия от прослушивания музыки. Это ведь меняет даже то, как мы храним и организуем нашу музыку. Вместо пультов и многочисленных полок, заполненных CD-дисками, у вас теперь есть собственные плэйлисты с вашими любимыми жанрами и композициями, которые вы можете играть часами без перерыва. База данных приводит вашу музыку в порядок вместо вас, так что вы можете быстро найти именно то, что хотите послушать. А можете и вовсе создать новый плэй-лист, скажем, для праздника или вечеринки. Вместо пульта у вас теперь лэптоп. А еще вы можете скачать отдельные песни из интернета, и не надо больше тратить время и деньги на покупку очередного диска. Ведь на всем этом диске из 12 дорожек вас может интересовать только 1 или 2!

• CD
• CD-транспорт
• jitter
• воспроизведение музыки с компьютера
• джиттер
• Компьютер
• недостатки и достоинства PC-транспорта

01/19/2009 - 17:47   KoOlina

• Войдите на сайт для отправки комментариев