Все авторы

ЦАП и цифровой фильтр. Чую звон да не знаю, где он.

ВСТУПЛЕНИЕ

Сегодня мы коснемся довольно обширной темы. И важной с точки зрения преобразования цифрового звука в аналоговый сигнал. Когда мы говорили про цифро-аналоговые преобразователи, то коснулись темы фильтрации. Фильтр низких частот в ЦАП служит для выделения определенных частот, несущих полезный сигнал. И дальнейшего подавления “лишней” частоты, которые содержат шумы квантования, ошибки передискретизации и прочие артефакты. Такие как алиазы. Что это за фантастические твари и где они обитают? Алиазами называют паразитные “клоны” основного сигнала, копирующие его амплитуду, но “живущие” в диапазоне частот, существенно превышающих полезную. То есть за пределами нашей слышимости. Цифровая фильтрация, как и аналоговая, помогает надежно спрятать от наших глаз и ушей этих фантастических тварей.

“Если шумы находятся за пределами нашей слышимости, то зачем нужен фильтр?” — спросите вы и будете правы. Отчасти. Человеческое ухо — это пример простого и эффективного аналогового фильтра. Но если мы не слышим цифровую грязь записи, то это не значит, что ее нет, верно? Поэтому одними ушами отделаться нельзя. Нужно придать исходный сигнал фильтрации. Причем, иногда этот процесс бывает сложным. К тому же разнообразным. Существует немало вариантов цифровой фильтрации при обработке сигнала. Вы наверняка с ними сталкивались, если ковырялись в настройках плеера или имели дело со стационарными ЦАП для стереосистем. Сегодня я постараюсь простыми словами объяснить отличия между разными типами фильтров. А также поговорим о том, как они влияют на восприятие звука. Или не влияют. 

АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ

Вернемся немного назад. Цифровое аудио живет “по закону” теоремы Котельникова и частоты Найтквиста. Это говорит о том, что любой аналоговый сигнал может быть точно воспроизведен, если ширина его полосы менее половины частоты дискретизации сигнала. Проще говоря, частота выборки ЦАП должна быть не менее, чем вдвое больше частоты сигнала. 

Например, формат CD. Как вы помните, частота дискретизации CD-проигрывателя 44,1 кГц. Это значит, что ЦАП “учитывает” сигнал до 22,05 кГц. То есть это стандартные 20 кГц плюс 2,05 кГц в качестве “буферной зоны”. 

Первые ЦАП относили к параллельно-последовательному типу преобразователей. Это были рассмотренные нами ранее R-2R матрицы. Изначально, такие схемы не использовали цифровую фильтрацию, так как роль фильтра в них исполняли дискретные элементы — резисторы, “ступеньки” той самой лестницы. Например, шум самих резисторов лежит ниже отметки -100дБ. Впоследствии в них стали применять полноценные аналоговый фильтры. Они отсекали сигнал выше 20 кГц, но имели ряд недостатков. Во-первых, нелинейность. Во-вторых, требования к точности и малый допуск накладывал ограничения на подбор элементов. В-третьих, такой фильтр обладает достаточно плавной переходной полосой (об этом дальше), что отражается на чистоте фильтрации.

АНАЛОГОВЫЙ ФИЛЬТР

Помните, как изображается сигнал в формате PCM? В виде “лесенки” ступенек, описывающих синусоиду оригинального сигнала.  

На деле сигнал не воспроизводится ступенчато. Аналоговый фильтр выступает в качестве интерполятора. Он, проще говоря, соединяет опорные точки на ступенчатой кривой цифрового сигнала. Так формируется восстановленная синусоида аналогового сигнала. 

В идеальных условиях мы имеем срез частот выше ½ частоты дискретизации. Но реальность не терпит идеала, поэтому зачастую мы сталкиваемся c алиазами. Алиазы — понятие из области статистики и аудио, оно означает наложение, повторение и неразличимость непрерывных сигналов при их дискретизации. В аудио это проявляется как наложение на низкочастотный “полезный” сигнал его четных и нечетных гармоник высокого порядка. 

На рисунке выше отображено 4 положения сигнала. Первое — сигнал без фильтрации, наполненный алиазами. Второй — наложение фильтра. Фильтр отображен в виде красной зоны спектра. Третий — идеальный пример работы фильтра, отсекающий алиазы. И четвертый — реальность. В которой алиазы, лежащие за пределами ½ частоты дискретизации, создают шумы уже в “нижней” половине частоты. То есть теоретически слышимые человеческих ухом.

Тут самое время ознакомиться с составляющими фильтра. Условно он делится на три полосы: пропускная полоса, переходная полоса и полоса заграждения. В пропускной полосе фильтрация не производится, сигнал идет “как есть”. Далее в полосе заграждения работает фильтрация и отсекает ненужные частоты. А между ними находится “серая зона” переходной полосы. То есть в ней и происходит “срез” сигнала, его частичное подавление. Угол среза и ширина полосы определяет восприятие слышимого сигнала. При этом условная граница полос пропускания и заграждения определяется коэффициентом усиления (гейном) фильтра. Он регулирует соотношение входного и выходного уровней на заданных диапазонах частот.

Аналоговый фильтр не может обеспечить резкий переход между полосами пропускания и заграждения. Как следствие, это отражается на том, насколько эффективно работает фильтрация. В результате побочным эффектом интермодуляции при восстановлении аналогового сигнала становится остаточный ультразвук, проникающий в область полезного сигнала. С одной стороны человеческое ухо невосприимчиво к ультразвуку. Но с другой несовершенство аппаратуры приводит к линейным и нелинейным искажениям, накладывающимся на эти артефакты. И синергия искажений и алиазов может сказаться более ощутимо, нежели условный ультразвук.

ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР

Вот тут мы приходим к ставшему уже родным понятию оверсемплинга (передискретизации) и цифровой фильтрации. Многократное увеличение частоты дискретизации позволяет сдвинуть зону пропускной полосы дальше от полезного сигнала. Тем самым уменьшив влияние на него.

Но самое важное тут — применение цифровой фильтрации. Как уже говорилось, аналоговый фильтр работает более плавно и не дает резкой отсечки при фильтрации. Цифровой фильтр, применяемый при оверсемплинге, имеет не только более узкую переходную полосу, но и более крутой срез частоты, позволяющий буквально “отрубить” частотку выше ½ частоты дискретизации. В отличии от аналогового, делающего это более мягко и плавно. 

На последнем рисунке видно, как цифровая фильтрация уменьшает негативное влияние алиаз на полезный сигнал по сравнению с аналоговым фильтром.

ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТР: ВИДЫ И ОТЛИЧИЯ

Вы наверняка сталкивались с разнообразием цифровых фильтров в своих плеерах. Если раньше выбор лежал буквально между fast roll-off и slow roll-off, то сегодня он стал значительно шире. Например, мой плеер дает мне альтернативу в виде семи разных фильтров. Другой вопрос, что они не имеют решающего влияния на звук. Однако, все же есть один вариант, который по каким-то необъяснимым причинам нравится больше остальных. Сталкиваясь с аппаратурой во время обзоров, тоже находишь оптимальный для себя вариант и останавливаешься на нем. Главное — помнить, что нет правильных и неправильных цифровых фильтров. Они все делают свою работу. По-разному.

Когда говорят о цифровой фильтрации, то часто применяют понятия фаза, затухание и звон. Начнем с последнего. Звон — это артефактные колебания звука, которые могут как предшествовать, так и следовать за входным импульсным сигналом. Его поведение определяется работой цифрового фильтра. 

Дискретный импульсный сигнал имеет максимальную амплитуду и минимальную длительность. Грубо говоря, один семпл с максимальной амплитудой. Но влияние цепочки преобразований и обработки приводит к тому, что восстановленный сигнал воспроизводится не идеально. Если обратиться к тексту про ЦАПы, к разделу о том, почему раньше ругали дельта-сигма ЦАПы. И там можно найти три рисунка с изображением меандра и примером того, как фильтрация влияет на образование предварительного “подзвона” при воспроизведении тестового сигнала.

На рисунке выше показан тестовый сигнал в разделе частоты и в разрезе времени. Поданный дискретный сигнал во временном домене не будет дискретен. В данном случае фильтр “обеспечивает” ему две фазы затухающих или нарастающих колебаний. То есть того самого звона, послезвучия. Почему это происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно объяснить, как работает цифровой фильтр с точки зрения вычислений.

ЛИНЕЙНО-ФАЗОВЫЙ ФИЛЬТР

Цифровой фильтр “разбивает” звуковой сигнал на несколько семплов. Несколько — не три-четыре, а достаточно большое количество, чтобы можно было оперировать порядком применения гейна фильтра. Далее к каждому семплу применяется определенное усиление (гейн). В данном случае наивысший гейн был применен к среднему семплу (медиане), далее каждый последующий от медианы (нулевого семпла) семпл получил свое усиление, ниже чем получает медиана. На выходе фильтр производит суммирование полученных произведений. Вот это и есть итоговый аналоговый сигнал после оверсемплинга и фильтрации.

Но неидеальность аппаратуры и ограниченность частотного диапазона приводит к возможной слышимости пре- и пост-эха — того самого подзвона. Следовательно, от порядка применения гейна фильтра зависит также и восприятие звука, его характер, ощущение в пространстве. 

В предыдущем рисунке был изображен принцип работы с сигналом фильтра с линейной фазой. При такой фильтрации предшествующий и следующий за основным сигналом звон получает отзеркаленный гейн. В результате мы имеем не только послезвучие, звенящее затухание, но и предшествующее пре-эхо. То есть еще до возникновения сигнала существует паразитный сигнал. 

ФИЛЬТР С МИНИМАЛЬНОЙ ФАЗОЙ

Для того, чтобы решить эту проблему, был применен фильтр с минимальной фазой. Он работает по тому же принципу распределения гейнов и суммирования результатов усиления каждого семпла выборки. Но нулевой семпл, получающий максимальное усиление, смещен из медианы (середины) выборки в ее начало. В результате наблюдается отсутствие пре-эха, но пост-эхо, подзвон, получает большее усиление. Так как в рассмотренном ранее фильтре с линейной фазой гейн более низкого порядка делился поровну между предшествующими нулевому семплу (минус-первый, минус-второй…) и следующими за ним (первый, второй…). то влияние каждого из них было уравновешено. В случае с минимальной фазой мы видим отсутствие предварительного звона. В свою очередь более сильно выражено послезвучие.

Кроме чистых линейно- и минимально-фазовых фильтров применяются еще и модифицированные аподизирующие фильтры. Аподизация — это метод фильтрации, использующийся в частности для обработки аудио сигнала. Он применяется для снижения влияния пре- и пост-эха как в линейно-фазовых, так и в минимально-фазовых фильтрах. 

ИМПУЛЬСНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Разобравшись с основными типами цифровых фильтров, перейдем к частным случаям. Теперь речь пойдет о работе с импульсными переходными процессами (или импульсными характеристиками), а именно, как те самые fast/slow/super slow roll-off влияют на звучание системы. 

Если линейный или минимальный фазовый фильтр по-разному работают с фазами сигнала и звона, то частные случаи фильтров определяют работу с переходными процессами. Так, если super slow roll-off обеспечивает практически полное отсутствие переходных процессов (звона), то fast roll-off переходные процессы не подавляет. Они могут как предшествовать сигналу, так и следовать после него, что характерным образом отражается на звучании. 

Иллюстрация разницы в работе фильтров fast roll-off и slow roll-off показана на рисунке выше. Кроме того, что фильтры отличаются по кривой АЧХ (спад на ВЧ на slow начинается раньше, чем на fast), есть отличия и в их импульсной характеристике. При медленном спаде импульсная характеристика минимальна, но при применении фильтра с быстрым спадом и более ровной АЧХ в области ВЧ мы получаем более выраженную и насыщенную импульсную характеристику. В зависимости от фазового типа фильтра это может быть пост-звон или пре- и пост-звон. Не забываем, что единственного правильного фильтра попросту не существует. Таким образом, фильтр нужно подбирать как под ту или иную музыку и аппаратуру, так и руководствуясь личными предпочтениям. И не забываем про помещение!

ФИЛЬТР И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ЗВУК

А теперь “вы ступаете на очень тонкий лед, мои друзья Педигрипал”. Можно бесконечно спорить о том, насколько заметна разница в фильтрации на итоговом звучании и заметна ли она вообще. Я склоняюсь к тому, что отдельные фильтры могут быть более выражены в своей работе, нежели другие. А также отдельные устройства (даже от одного и того же производителя!) могут иметь разную степень влияния типа фильтрации на то, что доходит до нашего уха. Это настолько сложная и многофакторная система, что рассматривать один лишь фильтр — не совсем правильно. Но что если мы говорим про влияние в отдельной конкретно взятой замкнутой системе? 

Я здесь приведу те характеристики, которыми наделяют сам производитель те или иные фильтры. Уж им то виднее! Информация взята на официальном сайте ESS Technology. Далее бережно мною переведена (включаем режим моего тезки “Гоблина” Пучкова). А затем брутально дополнена.

Linear-phase fast roll-off filter или линейно-фазовый фильтр с быстрым спадом. “Фильтр по умолчанию”. Звучание ясное, нацеленное на выделение области верхних частот. Хорошо подходит для записей инструментов, богатыми обертонами. Характер звучания мощный, чуть напористый и несколько агрессивный. 

Linear-phase slow roll-off filter или линейно-фазовый фильтр с медленным спадом. Импульсные характеристики также симметричны, но выражены куда менее. Звучание менее напористое и более расслабленное на верхних частотах. Низкие частоты обладают большим “панчем”. Саунд ближе к естественному, нейтральный и комфортный. Детали менее навязчивы.

Minimum-phase fast roll-off filter или минимально-фазовый фильтр с быстрым спадом. Звучание располагает к лучшим визуализации и построению сцены. Переходные процессы следуют за основным сигналом, а не предшествуют ему. Что дает более насыщенные низкие частоты, а также чистые высокие. 

Minimum phase slow roll-off filter или минимально-фазовый фильтр с медленным спадом. Фильтр с минимальным пре- и пост-эхом. Как следствие, насыщенные НЧ и хорошо артикулированные атаки. 

Linear-phase apodizing fast roll-off filter или аподизирующй линейно-фазовый фильтр с быстрым спадом. Вид линейно-фазового фильтра с улучшенным пост- и пре-эхом. Нейтральное, уравновешенное и чуть менее насыщенное звучание.

Minimum-phase apodizing fast roll-off filter или минимально-фазовый фильтр с быстрым спадом. То же самое, но с учетом отсутствия пре-эха. Звучание несколько акцентирует НЧ и атаки в низкочастотной области.

Hybrid fast roll-off filter или гибридный фильтр с быстрым спадом. Интересный вариант, объединяющий как минимально-фазовый, так и линейно-фазовый фильтр. Нулевой семпл смещен в сторону крайнего в выборке. Звучание объединяет в себе ударные НЧ с подчеркнутыми атаками и ясные прозрачные ВЧ. Мой предпочтительный фильтр на Aune X8. 

Остается не забывать, что фильтр — это не способ радикальной подстройки звука, как, например, эквализация. Они лишь корректируют процесс, который произойдет так или иначе. А именно фильтрацию частот выше частоты полезного сигнала. Так что пробуем, слушаем. Во всяком случае теперь вы понимаете, что во время прослушивания музыки фильтр производит сотни тысяч вычислений, интерполируя сигнал, а вы только задаете порядок этих вычислений. 

NON-OVERSAMPLING (NOS) ЦАП

Недавно я делал обзор на замечательную новинку — плеер iBasso DX300. Там я случайно обнаружил среди стандартного набора фильтров ЦАП режим NOS. То есть режим работы без передискретизации. Если о матричной структуре ЦАП в DX300 производитель позаботился оповестить общественность, то про наличие режима NOS — нет. И поделом. Ведь интересная и полезная фишка плеера попросту могла быть проигнорирована не особо любопытными аудиофилами.

Так вот, что такое NOS ЦАП мы немного поговорили в этом обзоре. Возможно, именно тогда, когда писался этот раздел, и пришла мысль о серии статей “о сложном простыми словами”. Так вот, повторюсь: NOS ЦАП — это ЦАП, который работает без оверсемплинга (передискретизации). А иногда и без цифрового и/или аналогового фильтра. Бывают и такие. Конечно, реализации ЦАП вовсе без фильтра требует ряда манипуляций, чтобы не засорить воспроизведение шумами. Например, предварительный или потоковый апсемплинг.

Ключевая задача, которую ставят разработчики, создавая NOS ЦАП, — это избавиться от импульсных переходных характеристик, по пятам преследующих процесс фильтрации. Убрать звон — это хорошо. Но тогда в “распоряжении” ЦАП остается только аналоговый фильтр, обладающий некоторыми недостатками, о которых мы уже поговорили. Более того, аналоговый фильтр, выполненный на дискретных элементах, может привносить и свои фазовые и нелинейные искажения.

РИСУНОК СИГНАЛ NOS

Как вы помните, аналоговый фильтр выполняет интерполяцию аналогового сигнала по опорным точкам ступенчатой кривой. Без аналогового фильтра это будет невозможно. Мы столкнемся с нашими фантастическими тварями — алиазами — которые будут гулять без контроля и присмотра. Так ли это страшно для нас как слушателей? С одной стороны — нет. Алиазы будут находиться за порогом слышимого диапазона. Если половина частоты дискретизации выше 20 кГц, то алиазный спектр будет лежать за отметкой ½ частоты дискретизации и “отзеркаливать” спектр полезного сигнала, являя собой ультразвук. С другой — ализы “скушают” часть полезного динамического диапазона. Таким образом, отказ от аналоговой фильтрации мы избавляемся от искажений фильтра, но получаем интермодуляционные искажения и теряем часть динамического диапазона.

АПСЕМЛПИНГ И NOS ЦАП

В отдельных случаях можно получить чистый сигнал и без фильтрации. В каких? Если изначальная запись (именно исходный файл) делался на частоте дискретизации, выше 44,1 кГц. На сегодня общепринятым форматом цифровой студийной записи является 24 бит 88 кГц, реже 96 кГц. Почему-то считается, что с 88 кГц работать проще. Не суть. То есть такую запись можно без зазрения совести крутить на NOS ЦАП и не бояться получить значимые искажения.

Допустим, мы имеем стандартный CD-рип. То есть привычный формат 16/44,1. В таком случае есть выход в виде апсемплинга аудио-файлов. Помимо предварительного апсемплинга, возможен процесс налету. Благо, вычислительные мощности сегодня это позволяют даже в портативе. Речь не идет про улучшение исходного файла! Это невозможно сделать простым нажатием кнопки. Но добавление нулей в биты старших порядков позволяет увеличить частоту дискретизации воспроизводимого аудиосигнала. Следовательно, в условии отсутствия фильтра это позволит приструнить алиазы. Если с 44,1 кГц мы повысим частоту дискретизации файла до 44,1*16=705,6 кГц, то ½ частоты дискретизации будет лежать на отметке 352,8 кГц! Ализы, до свидания .

NOS ЦАП — это не приговор и не панацея. Это лишь другой вариант, другой подход. Который позволяет чуть иначе реализовать схему ЦАП. С одной стороны, такая схема будет проще и менее взыскательна к аналоговой фильтрации. Но это также потребует апсемплинга файлов для качественной реализации. Однако, отказ от оверсемплинга и цифровой фильтрации может дать наиболее натуральный саунд. У iBasso получилось — режим NOS на мой слух показался наиболее приятным. На том стою.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Какой фильтр все-таки лучше? Боюсь, ответа на этот вопрос нет и быть не может. “Быстрые” фильтры имеют лучший вид на измерительных приборах. В свою очередь “медленные” могут показаться приятнее на слух. А могут и не показаться. В то же время супер медленный фильтр на осциллографе вообще ужасен и неприемлем. Но в нем практически подавлен пост-звон. 

При этом ситуация с нашими предпочтениями по части цифровой фильтрации может развернуться в корне и за счет частоты дискретизации исходного файла. “Супермедленный” фильтр на частоте дискретизации 44,1 кГц и 96 кГц дает другую картину даже на осциллографе.

Тут так же как с ЦАПами и усилителями. То есть не столь важна принципиальная схема, сколько качество и добросовестность реализации. Усилитель не будет лучше только из-за принадлежности к классу A, ЦАП не запоет краше из-за наличия в нем 20-битной R-2R матрицы и отсутствия оверсемплинга с цифровой фильтрацией. Надеюсь, функции и принцип работы цифрового фильтра в ЦАП вам стали понятнее и логичнее.