İçerik
Muhtemelen fark ettiğiniz gibi, akıllı telefon endüstrisinde modern amiral akıllı telefonların içine “stüdyo kalitesinde” ses yongaları ekleme konusunda yeni bir eğilim var. 192 kHz ses desteğine sahip 32 bit DAC (dijital - analog dönüştürücü) teknik özelliklerde kesinlikle iyi görünmekle birlikte, ses koleksiyonlarımızın boyutlarını yükseltmenin bir faydası yok.
Bu bit derinliğinin ve örnekleme hızının neden artmasının, ses endüstrisinin tüketici ile ilgili eksiklikten ve hatta konuyla ilgili audiophile bilgisinden faydalanan bir başka örneği olduğunu açıklamak için buradayım. İnek başlıklarını tak, pro sesin içeriğini ve çıkışlarını açıklamak için ciddi teknik noktalara gireceğiz. Ve umarım size, pazarlama yutturmacalarının çoğunu neden görmezden gelmeniz gerektiğini de size kanıtlayacağım.
Bunu duyuyor musun?
Dalmadan önce, bu ilk segment dijital ses, bit derinliği ve örnekleme hızı gibi iki ana kavram hakkında gerekli bazı temel bilgileri sunar.
Örnekleme hızı, bir sinyal hakkında genlik bilgisini ne sıklıkta yakalayacağımızı veya çoğaltacağımızı ifade eder. Temel olarak, belirli bir zamanda hakkında daha fazla bilgi edinmek için bir dalga formunu birçok küçük parçaya böleriz. Nyquist Teoremi, yakalanabilen veya çoğaltılabilen mümkün olan en yüksek frekansın, örnekleme hızının tam yarısı kadar olduğunu belirtir. Frekansını doğru bir şekilde bilmek için dalga formunun üst ve altındaki genliklere (iki numuneye ihtiyaç duyacağımız) ihtiyaç duyduğumuzdan bunun anlaşılması oldukça basittir.
Numune hızını (üstte) artırmak, saniyede ilave numunelere neden olurken, daha büyük bir bit derinliği (altta) numuneyi kaydetmek için daha olası değerler sağlar.
Ses için, yalnızca duyabildiklerimizle ve insanların işitmelerinin büyük çoğunluğunun 20kHz'den hemen önce yayınlanmasından endişe duyuyoruz. Şimdi Nyquist Teoremini bildiğimize göre, neden 44.1kHz ve 48kHz'in ortak örnekleme frekansları olduğunu anlayabiliyoruz, çünkü duyabildiğimiz maksimum frekansın iki katından fazla. Stüdyo kalitesinde 96kHz ve 192kHz standartlarının benimsenmesinin, daha yüksek frekanslı verilerin yakalanmasıyla ilgisi yoktur, bu anlamsız olacaktır. Ama bir dakika içinde buna daha çok dalacağız.
Zaman içindeki genliklere baktığımızda, bit derinliği bu genlik verilerini depolamak için mevcut olan çözünürlük veya nokta sayısını belirtir. Örneğin, 8-bit bize yuvarlanacak 256 farklı nokta, 65.534 puanda 16-bit sonuç sunar ve 32-bit veri, 4.294.967.294 veri noktası verir. Açıkçası, bu büyük ölçüde herhangi bir dosyanın boyutunu artırır.
Derinlik derinliği hakkında genlik doğruluğu açısından hemen düşünmek kolay olabilir, ancak burada anlaşılması gereken en önemli kavramlar gürültü ve çarpıtmadır. Çok düşük bir çözünürlükle, büyük olasılıkla düşük genlikli bilgi parçalarını kaçıracağız ya da yanlışlık ve çarpıtma (nicelik hataları) ile sonuçlanan dalga formlarının üstlerini keseceğiz. İlginç bir şekilde, düşük çözünürlüklü bir dosyayı oynatmak isteseniz bu genellikle ses gibi gelecektir, çünkü yakalanıp çoğaltılabilecek mümkün olan en küçük sinyalin boyutunu etkili bir şekilde arttırdık. Bu, dalga biçimimize bir ses kaynağı eklemekle aynıdır. Başka bir deyişle, bit derinliğini düşürmek de ses tabanını azaltır. Bunu, en az anlamlı bitin gürültü tabanını temsil ettiği ikili bir örnek olarak düşünmesine de yardımcı olabilir.
Bu nedenle, daha yüksek bir bit derinliği bize daha büyük bir ses tabanı sağlar, ancak bunun gerçek dünyada ne kadar pratik olduğu konusunda sınırlı bir sınır vardır. Ne yazık ki, her yerde arka plan gürültüsü var ve otobüsün sokakta geçmesini istemiyorum. Kablolardan kulaklıklarınıza, bir amplifikatördeki transistörlere ve hatta kafanızdaki kulağa kadar, gerçek dünyadaki maksimum sinyal / gürültü oranı 124dB civarındadır ve bu değer kabaca 21 bit veriye eşittir.Jargon Buster:
DAC- Dijital-analog dönüştürücü, dijital ses verilerini alır ve kulaklıklara veya hoparlörlere göndermek için onu analog sinyale dönüştürür.
Aynı oran- Hertz (Hz) cinsinden ölçülen değer, her saniye yakalanan dijital veri örneklerinin sayısıdır.
SNR- Sinyal-gürültü oranı, istenen sinyal ve arka plan sistemi gürültüsü arasındaki farktır. Dijital bir sistemde bu doğrudan bit derinliğine bağlıdır.
Karşılaştırma için, 16 bit yakalama 96.33dB'lik bir sinyal / gürültü oranı (sinyal ve arka plan gürültüsü arasındaki fark), 24 bit ise donanım yakalama ve insan algılamasının sınırlarını aşan 144.49dB sunar. Böylece, 32-bitlik DAC'iniz aslında sadece 21 bitlik yararlı veriyi elde edebilecek ve diğer bitler devre gürültüsü tarafından maskelenecektir. Gerçekte, çoğu makul fiyatlı ekipman, 100 ila 110dB'lık bir SNR değerine sahip, çünkü diğer çoğu devre elemanı kendi seslerini üretecek. Açıkçası o zaman, 32-bit dosyalar zaten oldukça gereksiz görünüyor.
Artık dijital sesin temellerini anladığımıza göre, daha teknik noktaların bazılarına geçelim.
Stairway to Heaven
Ses anlayışını ve yanlış algılayışını çevreleyen konuların çoğu, eğitim kaynaklarının ve şirketlerin görsel ipuçlarını kullanarak faydaları açıklamaya çalıştıkları yöntemlerle ilgilidir. Muhtemelen, örnekleme hızı için bit derinliği ve dikdörtgen görünümlü çizgiler için bir dizi merdiven basamağı olarak gösterilen sesi gördünüz. Bu, pürüzsüz görünümlü bir analog dalga biçimiyle karşılaştırdığınızda kesinlikle pek iyi görünmüyor, bu nedenle daha hassas bir çıkış dalga biçimini temsil etmek için daha ince görünümlü, “daha yumuşak” merdivenleri düzeltmek kolaydır.
Halka kolay bir şekilde satmak olsa da, bu ortak “merdiven” doğruluk analojisi büyük bir yanlış yönlendirmedir ve dijital sesin gerçekte nasıl çalıştığını takdir edememektedir. Boşver.
Bununla birlikte, bu görsel sunum, sesin nasıl çalıştığını yanlış gösterir. Dağınık görünse de, matematiksel olarak, örnekleme hızının yarısı olan Nyquist frekansının altındaki veriler mükemmel bir şekilde yakalandı ve mükemmel bir şekilde yeniden üretilebilir. Bunu, pürüzsüz bir sinüs dalgasından ziyade genellikle kare bir dalga olarak temsil edilebilecek Nyquist frekansında bile, zamanın belirli bir noktasında, ihtiyacımız olan her şey için doğru genliğe sahip olan doğru verilere sahibiz. Biz insanlar genelde yanlışlıkla örnekler arasındaki boşluğa bakıyoruz, ancak dijital bir sistem aynı şekilde çalışmıyor.
Bit derinliği genellikle doğrulukla bağlantılıdır, ancak gerçekte sistemlerin gürültü performansını tanımlar. Başka bir deyişle, tespit edilebilir en küçük veya tekrarlanabilir sinyal.
Oynatma söz konusu olduğunda, bu, biraz ayarlanmış bir örnekleme hızında basitçe ayarlanan bir örnekleme hızındaki değerler arasında geçiş yapacak olan “sıfır sıralı tutma” DAC'lerinin anlaşılması kolay kavramı nedeniyle biraz daha zor olabilir. Bu aslında ses DAC'lerinin nasıl çalıştığının adil bir temsili değildir, ancak biz buradayken, bu örneği, bu merdivenler hakkında endişelenmemeniz gerektiğini kanıtlamak için kullanabiliriz.
Unutulmaması gereken önemli bir husus, tüm dalga biçimlerinin, harmonik katlarda çoklu sinüs dalgalarının, temel bir frekansın ve ek bileşenlerin toplamı olarak ifade edilebileceğidir. Bir üçgen dalga (veya bir merdiven basamağı) azalan genliklerdeki tuhaf harmoniklerden oluşur. Öyleyse, örneklem hızımızda çok sayıda küçük adım gerçekleştiyse, bazı ilave harmonik içeriğin olduğunu söyleyebiliriz, ancak bu duyulabilir (Nyquist) frekansımızın iki katında ve bunun ötesinde muhtemelen birkaç harmonik ortaya çıkar. Zaten onları duyamıyorum. Ayrıca, bu birkaç bileşen kullanarak filtrelemek için oldukça basit olurdu.
DAC örneklerini ayırırsak, istenen sinyalimizin DAC örnekleme hızında ek bir dalga formu ile birlikte mükemmel şekilde temsil edildiğini kolayca görebiliriz.
Bu doğruysa, bunu hızlı bir deneyle gözlemleyebilmeliyiz. Temel bir sıfır dereceli tutma DAC'sinden doğrudan bir çıktı alalım ve sinyali çok basit bir şekilde besleyelim 2nd düşük geçişli filtre sipariş örnek hızımızın yarısına ayarlanmış. Aslında burada sadece 6 bitlik bir sinyal kullandım, böylece çıktıyı bir osiloskopta görebiliyoruz. 16 bit veya 24 bit ses dosyası, filtrelemeden önce ve sonra sinyalde çok daha az gürültüye sahip olur.
Oldukça kaba bir örnek, ancak bu, ses verilerinin bu dağınık görünümlü merdiven içerisinde mükemmel bir şekilde yeniden yaratıldığı anlamına geliyor.
Ve sihirle sanki merdiven basamağı neredeyse tamamen ortadan kalktı ve çıktı, sadece sinüs dalga çıktımıza müdahale etmeyen alçak geçirgen bir filtre kullanarak “düzeltildi”. Gerçekte, yaptığımız tek şey, hiçbir zaman duymadığınız sinyalin bazı kısımlarını filtrelemek. Bu aslında temelde ücretsiz olan ekstra bir dört bileşen için kötü bir sonuç değil (iki kapasitör ve iki direnç 5 piden daha az maliyetli), ancak aslında bu gürültüyü daha da azaltmak için kullanabileceğimiz daha karmaşık teknikler var. Daha da iyisi, bunlar en kaliteli DAC'lerde standart olarak bulunur.
Daha gerçekçi bir örnekle uğraşırken, sesli kullanım için herhangi bir DAC de örnekleme olarak da bilinen bir enterpolasyon filtresine sahip olacaktır. İnterpolasyon oldukça basit bir şekilde iki örnek arasındaki ara noktaları hesaplamanın bir yoludur, bu nedenle DAC'iniz aslında bu “pürüzsüzleştirme” işleminin çoğunu yapıyor ve örnek oranını iki katına çıkarmak veya dört katına çıkarmaktan çok daha fazlasını yapıyor. Daha da iyisi, herhangi bir ekstra dosya alanı gerektirmez.
Yaygın olarak tuzuna değer herhangi bir DAC'de bulunan enterpolasyon filtreleri, daha yüksek örnekleme oranlarına sahip dosyaları taşımaktan çok daha iyi bir çözümdür.
Bunu yapma yöntemleri oldukça karmaşık olabilir, ancak esas olarak DAC'inizin çıkış değeri, ses dosyanızın önerdiği frekanstan çok daha sık değişiyor. Bu, duyulamayan merdiven basamağı harmoniklerini, örnekleme frekansının çok dışında iterek, daha az dalgalanmaya sahip daha yavaş, daha kolay ulaşılabilir filtrelerin kullanımına izin verir, böylece gerçekten duymak istediğimiz bitleri korur.
Eğer duyamadığımız bu içeriği neden kaldırmak istediğimizi merak ediyorsanız, basit sebep, bu ekstra verileri sinyal zincirinden daha fazla çoğaltmanın, örneğin bir amplifikatörde enerji israfı yapmasıdır. Ayrıca, sistemdeki diğer bileşenlere bağlı olarak, bu yüksek frekanslı "ultra-sonik" içerik aslında sınırlı bant genişliği bileşenlerinde daha yüksek miktarlarda intermodülasyon bozulmasına yol açabilir. Bu nedenle, 192 kHz dosyanız, aslında bu dosyalarda yer alan herhangi bir ultra-sonik içeriğe sahip olsaydı, iyiden daha fazla zarara neden olur.
Daha fazla kanıt gerekirse, Circus Logic CS4272 (üst kısımda gösterilen) kullanarak yüksek kaliteli bir DAC'den bir çıktı göstereceğim. CS4272 bir enterpolasyon bölümüne ve çıkış filtresinde yerleşik dik konuma sahiptir. Bu test için yaptığımız tek şey, DAC iki 16 bit yüksek ve düşük numuneyi 48kHz'de beslemek için bize bir mikro denetleyici kullanmak ve bize 24kHz'de maksimum olası çıkış dalga biçimini vermek. Kullanılan başka hiçbir filtre bileşeni yoktur, bu çıktı doğrudan DAC'den gelir.
Bu stüdyo sınıfı DAC bileşeninden gelen 24kHz çıkış sinyali kesinlikle normal pazarlama materyalleriyle ilişkilendirilmiş dikdörtgen dalga biçiminde görünmüyor. Örnekleme hızı (Fs) osiloskopun altında görüntülenir.
Çıkış sinüs dalgasının (üstte), frekans saatinin (altta) hızının tam yarısı kadar olduğuna dikkat edin. Belirgin bir merdiven basamağı yoktur ve bu çok yüksek frekanslı dalga biçimi neredeyse mükemmel bir sinüs dalgası gibi görünür, pazarlama malzemesinin ya da çıktı verilerindeki geçici bir ifadenin önerebileceği blok gibi görünen kare bir dalgaya benzemez. Bu, sadece iki numuneyle bile, Nyquist teorisinin pratikte mükemmel bir şekilde çalıştığını ve ek bir harmonik içeriği olmayan, çok büyük bir bit derinliği veya örnekleme oranı olmadan saf bir sinüs dalgasını yeniden yaratabileceğimizi gösteriyor.
32-bit ve 192 kHz hakkındaki gerçekler
Çoğu şeyde olduğu gibi, bütün jargonların arkasına gizlenmiş bir gerçek var ve 32-bit, 192 kHz ses, avucunuzun içinde değil, pratik bir kullanıma sahip olan bir şey. Bu dijital özellikler aslında bir stüdyo ortamındayken işe yarar, bu nedenle “stüdyo kalitesinde sesi cep telefonuna getirme” iddiası var, ancak bu kurallar bitmiş parçayı cebinize koymak istediğinizde geçerli değildir.
Öncelikle, örnekleme oranı ile başlayalım. Yüksek çözünürlüklü sesten sıkça faydalanılan yararlardan biri, duyamayacağınız ancak müziği etkileyebileceğiniz ultra-sonik verilerin saklanmasıdır. Çöp, çoğu enstrüman, işitme duyusunun frekans sınırlarından, en fazla 20kHz'lik bir alanı yakalamak için kullanılan mikrofon ve kullandığınız kulaklıklarınızdan kesinlikle fazla uzaklaşmıyor. Onlar yapabilse bile, kulaklarınız kolayca algılayamaz.
Tipik insan işitme hassasiyeti 3kHz'de zirve yapar ve hızlı bir şekilde 16kHz'den sonra kaymaya başlar.
Bununla birlikte, 192 kHz örnekleme, veri örnekleme sırasında gürültüyü azaltmada (yine bu anahtar kelime) oldukça yararlıdır, temel girdi filtrelerinin daha kolay oluşturulmasına izin verir ve aynı zamanda yüksek hızlı dijital efekt için de önemlidir. Sesli spektrumun üstündeki aşırı örnekleme, gürültü tabanını aşağı itmek için sinyal ortalamasını sağlar. Bugünlerde en iyi ADC'lerin (analog - dijital dönüştürücüler) 64-bit örneklemede veya daha fazlasında üretildiğini göreceksiniz.
Ayrıca, her ADC'nin Nyquist sınırının üzerindeki frekansları kaldırması gerekir, ya da yüksek frekanslar duyulabilir spektrumda “aşağı” katlandığından korkunç seslendirme örtüsüyle sonlanırsınız. 20 kHz filtre köşe frekansımız ve maksimum örnekleme hızı arasında daha büyük bir boşluğa sahip olmak, gereken teorik filtreler kadar dik ve stabil olamayan gerçek dünya filtreleri için daha uygundur. Bu aynı şey DAC ucunda da geçerlidir, ancak tartıştığımız gibi intermodülasyon daha kolay filtreleme için bu gürültüyü daha yüksek frekanslara çok etkili bir şekilde itebilir.
Filtre ne kadar dik olursa, geçiş bandındaki dalgalanma o kadar fazla olur. Örnekleme hızının arttırılması, sesli geçiş bandında düz bir frekans tepkisinin korunmasına yardımcı olan “daha yavaş” filtrelerin kullanılmasına izin verir.
Dijital alanda, stüdyo karıştırma işleminde sıklıkla kullanılan filtreler için benzer kurallar geçerlidir. Daha yüksek örnekleme hızları, düzgün çalışması için ek veri gerektiren daha dik ve daha hızlı etkili filtrelere izin verir. Bunların hiçbiri çalma ve DAC'ler söz konusu olduğunda gerekli değildir, çünkü biz sadece gerçekten duyabildiğiniz şeyle ilgileniyoruz.
Herhangi bir uzaktan karmaşık matematiği kodlamaya çalışmış olan 32-bit'e ilerleyen herhangi biri, tamsayı ve kayan nokta verileriyle bit derinliğinin önemini anlayacaktır. Daha önce tartıştığımız gibi, daha fazla gürültü daha az bitiyor ve bu, yuvarlama hataları nedeniyle dijital alandaki sinyalleri bölmeye veya çıkarmaya başladığımızda ve çarparken veya eklerken kırpma hatalarını önlemek için daha önemli hale geliyor.
Ek bit derinliği, stüdyo içi ses yazılımı gibi matematiksel işlemler gerçekleştirilirken sinyalin bütünlüğünü korumak için önemlidir. Ancak, mastering bittikten sonra bu ekstra verileri atabiliriz.
Örnek olarak, 4 bitlik bir örnek aldığımızı ve şu andaki örneğimizin 131 olduğunu ve bunun 1101 olduğunu ikili olarak söyleyelim. Şimdi bunu dörde bölmeye çalışın ve 0011 veya basitçe 3 kaldı. Ekstra 0.25'i kaybettik ve eğer ek matematik yapmaya çalışırsak veya sinyalimizi tekrar analog dalga formuna çevirmeye çalışırsak bu bir hatayı temsil eder.
Bu yuvarlama hataları, çok sayıda matematiksel işlev üzerinde birikebilen çok küçük miktarlarda bozulma veya parazit olarak ortaya çıkar. Bununla birlikte, bu 4 bitlik numuneyi hizip veya ondalık sayı olarak kullanmak için ek bilgi bitleriyle genişletirsek, ekstra veri noktaları sayesinde daha uzun süre bölmeye, eklemeye ve çoğaltmaya devam edebiliriz. Böylece, gerçek dünyada, 16 veya 24 bit örnekleme ve daha sonra bu verileri yeniden işlemek için 32 bit biçimine dönüştürmek, gürültü ve bozulmadan tasarruf etmenize yardımcı olur. Daha önce de belirtildiği gibi, 32-bit çok fazla doğruluk noktasıdır.
Şimdi, kabul etmek için eşit derecede önemli olan şey, analog alana geri döndüğümüzde bu fazladan boşluğa ihtiyacımız olmadığıdır. Daha önce tartıştığımız gibi, yaklaşık 20 bit veri (-120dB gürültü) muhtemelen tespit edebilen mutlak maksimum değerdir, böylece “audiophiles” olmalarına rağmen ses kalitesini etkilemeden daha makul bir dosya boyutuna dönebiliriz Muhtemelen bu kaybedilen verileri ağlıyor.
Bununla birlikte, daha düşük bir bit derinliğine taşınırken kaçınılmaz olarak bazı yuvarlama hataları ortaya koyacağız, böylece bu hatalar her zaman rastgele meydana gelmediğinden, her zaman çok az miktarda ekstra bozulma olacaktır. Bu, analog gürültü tabanının çok ötesine uzandığından, 24 bit sesle ilgili bir sorun olmasa da, “taklit” adı verilen bir teknik, 16 bit dosyalar için bu sorunu düzgün bir şekilde çözer.
Kısaltma ve titremenin neden olduğu bozulma örneği.
Bu, ses örneğinin en az anlamlı bitini rastgele seçerek, bozulma hatalarını ortadan kaldırarak ancak frekanslar arasında yayılan çok sessiz bazı rasgele arka plan gürültülerinin tanıtılmasıyla yapılır. Gürültü eklemek, sezgisel olarak sezgisel görünse de, bu aslında rastgelelik nedeniyle duyulabilir çarpıtma miktarını azaltır. Ayrıca, insan kulağının frekans tepkisini kötüye kullanan özel ses şekilli dithering desenleri kullanarak, 16 bit dithered ses aslında algımızın sınırlarında, 120dB'ye çok yakın algılanan bir ses tabanını tutabilir.
32 bit veri ve 192 kHz örnekleme oranları stüdyoda kayda değer faydalara sahiptir, ancak aynı kurallar oynatma için geçerli değildir.
Basitçe söylemek gerekirse, stüdyoların bu yüksek çözünürlüklü içerikle sabit disklerini tıkamasına izin verin, yüksek kaliteli oynatım söz konusu olduğunda, tüm bu gereksiz verilere ihtiyacımız yok.
Sarmak
Hala benimle iseniz, bu makaleyi akıllı telefonun ses bileşenlerini geliştirme çabalarının tamamen reddedilmesi olarak yorumlamayın. Numaralandırma işe yaramasa da, yüksek kaliteli bileşenler ve daha iyi devre tasarımı mobil pazarda hala mükemmel bir gelişme olsa da, üreticilerin dikkatlerini doğru şeylere odaklamalarını sağlamalıyız. Örneğin, LG V10'daki 32-bit DAC kulağa şaşırtıcı geliyor, ancak bundan yararlanmak için büyük ses dosyası boyutlarıyla uğraşmanıza gerek yok.
Düşük empedanslı kulaklıkları kullanma, düşük gürültülü zemini DAC'den jaka koruma ve minimum bozulma sunma yeteneği, akıllı telefon sesleri için teorik olarak desteklenen bit derinliğinden veya örnekleme hızından çok daha önemli özelliklerdir ve umarım Gelecekte bu noktalara daha ayrıntılı dalmak.
