На главную страницу
Rambler's Top100
Book's Выставки, тесты, шоу... Конференция, ее архивы, участники, большой путь... Самодельные конструкции, схемы ... Вопросы и ответы, справочники ... Ссылки, команда сайта ...

Электронное
периодическое издание

Книги, статьи ...          

 

Перспективы развития цифрового Hi-End-аудио

В настоящее время в звуковоспроизведении все более широкое распространение получает технология домашнего кинотеатра (ДКТ), дающая красивые объемные эффекты и т.п. Но для высококачественного воспроизведения музыки эта технология не очень подходит, т. к. вносит существенные искажения в сигнал, и теряется натуральность звука. Поэтому наряду с ДКТ по прежнему успешно развивается и совершенствуется технология Hi-End-аудио, основным преимуществом которой является максимально верное воспроизведение звуковой информации с минимальными вносимыми искажениями и изменениями. Однако, дальнейшее совершенствование аналогового тракта воспроизведения встречается с рядом сложно преодолимых трудностей, необходимостью применения в производстве компонентов супервысокого качества, что ведет к сложности повторения подобных устройств и к их высокой стоимости. С другой стороны, развитие современной цифровой электроники делает перспективным развитие цифровых Hi-End-систем, позволяя моделировать характеристики любой системы, практически не внося искажений в сигнал. Причем, повышая достоверность модели, можно добиться разрешения, намного превосходящего даже самый высококачественный аналоговый тракт. При этом, из-за простоты тиражирования подобных систем, очень высокое качество звука (сравнимое с системами за 10-30 тыс.$) может быть получено и на вполне "бюджетных" комплексах за 1,5-4 тыс.$

В настоящее время создано 3 устройства такого, полностью цифрового, Hi-End-комплекса. Это - внешний блок цифро-аналогового преобразования DiFi 3.14 DAC, цифровой АЧХ-корректор-эквалайзер и активные цифровые акустические системы DiFi 2.73 AS.

Активные цифровые акустические системы DiFi 2.73 AS (в дальнейшем КОМПЛЕКС или AS) предназначен для высококачественного воспроизведения музыкальных сигналов от различных цифровых источников. В качестве источника сигнала может быть использован CD-проигрыватель, DVD-проигрыватель, музыкальный центр, компьютер и другие устройства, имеющие цифровой электрический или оптический выход. Для воспроизведения сигналов от аналоговых источников служит входящий в состав комплекса АЦП (96 кГц, 24 бита).

КОМПЛЕКС является полностью законченной системой звуковоспроизведения. Каждая из 2-х трехполосных акустических систем содержит 4 динамические головки, 3 усилителя мощности с независимыми цепями питания, 3 канала цифро-аналогового преобразователя, мультистандартный приемник цифровых сигналов и мощный 32-разрядный цифровой сигнальный процессор, выполняющий функции разделения сигнала по полосам, коррекции АЧХ, подстройки под помещение и другие. Высокая разрядность цифровых преобразований обеспечивает широкие возможности различных регулировок сигнала без ухудшения качества.

Использование данного устройства позволяет избавиться от недостатков, присущих цифровым аудио устройствам (шумы квантования, "мусор" в высокочастотной части спектра, дрожание фазы). При этом сохраняются преимущества цифрового звуковоспроизведения: большой динамический диапазон сигнала, отсутствие слышимых шумов, широкий частотный диапазон. Остановимся более подробно на алгоритмах работы данного устройства.

Цифровой музыкальный сигнал поступает на микросхему мультистандартного цифрового входа, где он распознается, и преобразуется в единый внутренний формат системы. Далее сигнал поступает на процессор цифровой обработки сигнала (ADSP-21065L фирмы Analog Devices). В процессоре производится аппроксимация сигнала (увеличивается число отсчетов) разложение в ряд Фурье при помощи алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT) с дискретностью около 5 Гц. Таким образом, вместо временного представления сигнала мы получаем частотное. В дальнейшем спектр сигнала преобразуется с учетом АЧХ усилителя, акустических систем, помещения, эквалайзера и "психофизиологической АЧХ" конкретного слушателя. После этого сигнал разделяется на 3 полосы (0 - 140 Гц, 140 Гц - 2.5 кГц, 2.5 - 22 кГц), вводятся групповые задержки (для синфазирования всех головок), и раздельно для каждой полосы выполняется обратное преобразование Фурье. Полученные три результирующих сигнала регулируются по амплитуде, поступают на цифро-аналоговые преобразователи (24 бит 192 кГц) и затем на усилители и динамические головки. Таким образом, мы получаем почти идеальную АЧХ, с неравномерностью менее 1 дБ в заданном диапазоне частот и минимальные фазовые искажения сигнала.

В дальнейшем развитии цифровых Hi-End-систем можно условно выделить три основных направления:
1. Развитие интерфейсов связи с компьютером и с другими устройствами комплексов.
2. Создание "цифрового усилителя", исключающего практически все искажения сигнала.
3. Математическое моделирование звука, позволяющее получить заданные характеристики системы, и подстраиваться почти под любые условия и помещения.

Остановимся на них более подробно.

1. В настоящее время устройства имеют мультистандартный интерфейс, позволяющий подключить его к любому цифровому аудио источнику. Однако, для подключения к компьютеру, требуется наличие у звуковой карты цифрового выхода. Кроме того, все существующие компьютерные звуковые карты и CD-приводы работают в стандарте 44.1 кГц, 16 бит, что существенно снижает качество звука и не позволяет в полной мере реализовать возможности цифрового аудио. Поэтому в состав устройства будет включен высокоскоростной USB-интерфейс, позволяющий передать на устройство полный поток аудиоинформации. При этом на компьютере можно производить различные преобразования сигнала, цифровую запись и перезапись, создание архивов, разделение сигнала по полосам и др. Причем, за счет высокой разрядности преобразований (32), все это происходит практически без ухудшения качества сигнала. Эти возможности интересны прежде всего профессионалам, но и для любителей музыки очень полезна возможность создания своих высококачественных копий как с аналоговых, так и с цифровых источников.

2. В области Hi-End-аудио идут незатихающие споры, что лучше: транзистор или лампа, наличие ООС или отсутствие, как добиться наиболее высокого разрешения аналогового тракта. Возможным решением всех этих проблем является полное исключение аналогового тракта. Все необходимые преобразования производятся в цифровом виде, и на динамики подается цифровой сигнал, преобразование которого в аналоговую форму происходит непосредственно на динамике. За счет очень высокой частоты преобразований и грамотных алгоритмов получается супервысокое качество звука, а все шумы находятся далеко за пределами порога слышимости. Существующие образцы подобных систем дают очень высокое качество звука, но в "бюджетную" область цен пока не попали, (все они стоят более 10 тыс.$). Кроме того, такая система позволит воспроизводить без промежуточных аналоговых преобразований музыку, записанную не только в стандартных ИКМ-форматах, но и в других, например, "Direct bit stream". Существующие в настоящее время "цифровые усилители" (например "TACT MkII") для преобразования сигнала в аналоговую форму используют принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Это наиболее простой в реализации принцип, но возможности его достаточно ограничены. Например, в усилителе "ТАСТ МкII" звуковой сигнал воспроизводится при помощи ШИМ с параметрами 8 бит 352кГц. Этого разрешения недостаточно для высококачественного воспроизведения полного музыкального сигнала. Поэтому кроме ШИМ-преобразователя используется дополнительная, аналоговая регулировка громкости, путем изменения уровня питающего напряжения. Наши исследования и практические эксперименты показывают возможность применения и других принципов преобразования для высококачественного воспроизведения звука. Во-первых, более эффективно использование ШИМ-модуляции с различными параметрами для каждой полосы частот (10 бит 192 или 176,4 кГц для НЧ и СЧ - полос и 8 бит 768 или 705,6 кГц для ВЧ - полосы). Кроме того, использование аппаратного преобразователя и реализованной в процессоре алгоритмической надстройки позволяет создать "сильноточный" (в смысле с высоким выходным током) дельта ЦАП (с частотой около 5мГц) и даже дельта-сигма ЦАП. Также в разработке находится дельта ЦАП с токовым выходом и обратной связью.

3. Современное развитие цифровой техники, в первую очередь DSP, позволяет построить математическую модель звукового сигнала, работающую в реальном масштабе времени. Такая модель может обеспечивать заданные характеристики звукового тракта, подстройку под помещение, учет индивидуальных характеристик динамических головок и множества других параметров. Поскольку все математические преобразования производятся в 32-разрядном формате с плавающей точкой, то слышимые искажения в сигнал не вносятся. Система содержит в своем составе измерительный микрофон с высокоточным АЦП, и, таким образом, реализуется принцип обратной связи. Ну и, наконец, подобно тому, как сейчас на компьютере моделируются живые музыкальные инструменты, так на данном устройстве может быть смоделирован любой аналоговый тракт воспроизведения. В создании таких математических моделей можно условно выделить 3 направления:

  • Модели аппроксимации недостающих значений сигнала.
    Существующие записи музыкальных сигналов имеют формат 44,1 кГц, в лучшем случае 96 кГц. Во всех реализованных и разрабатываемых системах воспроизводимая частота отсчета сигнала всегда выше. С точки зрения теории, наиболее правильно разложить сигнал в бесконечный ряд Фурье по имеющимся отчетам, а затем смоделировать обратное преобразование с помощью функций SIN(x)\x с нужной частотой. Однако, такой подход требует огромных вычислительных ресурсов и практически нереализуем. На практике используется линейная аппроксимация (либо аппроксимация полиномами 2-го, 3-го порядка) недостающих значений. Наиболее эффективным из практически реализуемых алгоритмов аппроксимации, с нашей точки зрения, является алгоритм, использующий так называемые "сплайн-функции". Сигнал в этом случае моделируется специальной функцией, которая в имеющихся точках отсчета точно воспроизводит не только значение самого сигнала, но и его 1-ю, 2-ю и т.д. (до 7-ой) производные.
  • Модели "переходных" характеристик системы.
    Это - наиболее важная часть используемых моделей. В настоящее время для создания переходной характеристики (см. выше) используются алгоритмы быстрого преобразования Фурье. Это позволяет с очень высокой точностью "линеаризовать" АЧХ системы усилитель - акустическая система - помещение. Путем введения групповых задержек по определенным частотам обеспечивается и некоторая коррекция ФЧХ системы. В дальнейшем предполагается линеаризация динамической характеристики системы (т.е. адекватное воспроизведение в заданных условиях и "сильных" и "слабых" сигналов), а также введение программируемой эхо - компенсации. Использование указанных 4-х алгоритмов моделирования в комплексе позволяет добиться почти идеального "психофизиологического" восприятия звука.
  • Прямое математическое моделирование системы CD - привод/помещение.
    Если представить записанный музыкальный сигнал как функцию напряжения от времени: f=u(t), то задачей звуковоспроизводящего комплекса будет максимально верное воспроизведение сигнала p(t)=Kґu(t), где p(t) - звуковое давление в точке прослушивания; К - некоторая константа, определяющая громкость звучания.
    Модель комплекса может быть представлена как некоторый функционал p(t)=F(f(t)) , где F - может быть набором дифференциальных уравнений - моделей усилителя, динамических головок, акустических систем, помещения.
    Вычислив обратный функционал F-1 f(t)= F-1 (p(t)) и проводя его расчет численными методами в реальном масштабе времени, можно получить идеальную функцию p(t)=Kґu(t).
    Следует отметить, что это направление пока развивается лишь теоретически.
    Поскольку реализация полных математических моделей всех систем вряд ли возможна в реальном масштабе времени, то основная проблема заключается в максимально возможном упрощении этих моделей, не влияющих на качество звука.

Ну и, наконец, о физической реализации данных комплексов. Предполагается несколько вариантов исполнения этих устройств:
Во-первых: это - активные цифровые акустические системы, имеющие стандартный цифровой вход и содержащие в себе все необходимое для преобразования цифрового ИКМ сигнала в звук. Это наиболее оптимальная и дешевая система, позволяющая наиболее точно сбалансировать все компоненты и характеристики.
Во-вторых: аппаратно-программные комплексы, состоящие из компьютера и внешних устройств, реализующих необходимые функции.
В-третьих: аппаратные комплексы без акустики, состав которых определяется конкретными требованиями - цифровой усилитель, блоки моделирования, АЦП (для подключения аналоговых источников звука), CD или DVD-привод и др., и отдельно акустические системы.

Андрей Баранов
Андрей Тучков
Николай Сахно

Rambler's Top100
TopList
Мир DVD
© "Мир Audio", 2002г. Все материалы являются собственностью редакции. Перепечатка или воспроизведение их любым способом полностью или по частям допускается только с письменного разрешения редакции.