Почему звуковой тракт портит звук, даже когда улучшает его.

[shurik_pronkin]

С самого начала электрической звукозаписи главной проблемой было не качество звука, а его перемещение оттуда, где он возник, туда, где его хотят услышать, причём не просто переместить в пространстве, но и закрепить в совершенно иной форме: в виде радиоволны, канавки на пластинке, намагниченного участка ленты, последовательности нулей и единиц на CD, и каждая такая трансформация из воздушной волны давления в электрический ток, из тока в канавку, из канавки обратно в ток — это не прямое копирование, а своего рода пересказ, при котором что-то неизбежно упрощается, что-то теряется, что-то добавляется от электронного рассказчика.

И тут с самого начала стоял выбор: либо фиксировать, чтобы перемещать, сигнал целиком — без дискретизации (нарезки), без фильтрации - но тогда это дорого, энергозатратно или просто невозможно, либо сделать возможным и оптимизировать, сэкономив на энергопотреблении, размерах носителей информации и себестоимости. Инженеры, естественно, выбрали второе, потому что массовое производство — не мастерская аудиофила, а штамповочная машина и конвейер, поэтому и задача формулировалась и до сих пор формулируется не «сохранить музыку», а «уложиться в бюджет, габариты и энергопотребление».

Оптимизация идет двумя путями:

Первый — дискретизация временнАя (нарезка сигнала во времени). Аналоговую непрерывную звуковую волну режут на дискретные кусочки: АЦП замеряет амплитуду 44 100 раз в секунду для CD или 96 000 раз для студийной записи, и каждый замер — это числовой слепок одного мгновения, между замерами — пустота, которую потом заполнит интерполяция. ШИМ в усилителе класса D делает то же самое, только вместо числовых отсчётов — импульсы переменной ширины. Дельта-сигма модулятор — то же, но однобитно, на частоте 2,8 МГц и выше. MP3 — то же, но с дополнительным выбрасыванием кусков, которые психоакустическая модель сочла неслышимыми. Принцип один — реализации разные, но отличие в том, что PCM сохраняет все куски, а MP3 часть выбрасывает по дороге; дельта-сигма перекладывает ошибку нарезки в ультразвук через петлю обратной связи, а ШИМ этого не делает. На выходе дискретные куски склеивают обратно — ЦАП, декодер, фильтр — и получают нечто похожее на исходное, но со швами на местах склейки.

Второй — дискретизация по критерию (фильтрация сигнала по некому заданному критерию). Тут некий условный контролёр сравнивает то, что есть, с тем, что, как он считает, «должно быть», и вычитает разницу: обратная связь в усилителе сравнивает выходной сигнал с входным и вычитает всё, что отличается, — для неё это «ошибка», а среди этих «ошибок» может оказаться вторая гармоника, которая в однотактном ламповом каскаде давала звуку тело и теплоту; стабилизатор напряжения сравнивает выходное напряжение с опорным и вычитает пульсации — но при этом добавляет собственный шум: фликкер-шум источника опорного напряжения и шум усилителя ошибки, причём прямо в звуковом диапазоне частот, так что вычел одн, но добавил другое; дифференциальный каскад на входе ОУ типа OPA637 вычитает всё синфазное — наводки, фон, шум земли — но заодно, из-за симметрии двухтактной схемы, подавляет и чётные гармоники полезного сигнала; noise shaping в дельта-сигма модуляторе перекладывает шум квантования из звуковой полосы в ультразвук, а потом фильтр этот ультразвук отрезает вместе со всем, что там было.

Заметьте, у каждого из этих контролёров свой критерий «правильности»: линейность, постоянство напряжения, подавление синфазного, чистота в слышимом диапазоне. Ни один из этих критериев не учитывает «музыкальность», но все влияют на неё, вычитая то, что по их мерке является ошибкой, но что для уха было дыханьем.

Для лучшего понимания, представьте огромный камень весом в тонну с прожилками, вкраплениями, неровностями, трещинками, которые делают его именно этим уникальным камнем. И этот камень нужно как-то переместить в новое место. Можно конечно пригнать кран и платформу, но это дорого и громоздко. А можно нарезать его на тысячу кусков по килограмму, поставить бесплатных стройотрядовцев в цепочку — и они за час переместят на новое место однотонный камень: это бытовая аналогия дискретизации. Но представьте, что стройотрядовцы ещё и определяют, какие куски переслать по цепочке, а какие нет: «правильные» ровные, гладкие, симметричные передают, а «дефектные» с прожилками и неровностями выбрасывают: это аналогия фильтрации по критерию. На новом месте из «правильных» кусков, которые прошли фильтрацию, получается не исходный камень с его уникальной фактурой, а некий новый идеальный сферический камень в вакууме.

Однако не во всех случаях дискретизация - зло. Есть задачи, которые без "нарезки" физически нерешаемы: передача звуковых частот 20 Гц — 20 кГц на расстояние требуют антенны длиной в километры и соответственно мегаваттные усилители, поэтому для радиопередачи без модуляции никак; аналоговый сигнал невозможно записать на цифровой носитель без дискретизации и квантования — лазеру нечего читать; операционный усилитель без обратной связи вообще не работает — усиление на открытом контуре 100 000 и выше, малейший сдвиг входа, и выход улетает в насыщение. Это как пытаться протащить целиком наш огромный камень через очень узкий тоннель - он просто упрется в вход тоннеля, поэтому нарезка на дискретные куски здесь единственный вариант.

Но есть и переусердствование, когда дискретизируют по критерию (перефильтровывают) либо по привычке, либо из-за банального невежества - когда наш условный тоннель давно расширили или его вообще нет: многокаскадный стабилизатор в фонокорректоре с током потребления 10 мА, в котором конденсатор фильтра на 100 мкФ и без того даёт пульсации меньше милливольта (когда-то германиевые транзисторы выходили из строя от перепадов, и стабилизатор ставили для их защиты, но германий давно заменили кремнием, тот же OPA134 терпит от ±2,5 до ±18 вольт, а стабилизатор остался по привычке и до сих пор добавляет свой шум в звуковой диапазон); DSD как отдельный «формат» (Sony и Philips в 1999 году просто перехватили сигнал с выхода дельта-сигма модулятора, который и так стоит внутри каждого ЦАП, записали на диск и продали как революцию); класс AB в предварительном усилителе (ток сигнала измеряется микроамперами и экономить буквально не на чем, а кроссоверные искажения на переключении плеч уже есть); ООС в ламповом корректоре на триоде (триод в режиме А без обратной связи даёт 2-3% THD с доминированием второй гармоники, что более чем приемлемо, а ООС сместит баланс в сторону нечётных, «жёстких») - все то как нарезать наш камень на тысячу кусков, чтобы тут же на месте собрать "новый".

А теперь посмотрите, что происходит в реальном тракте, когда временнАя дискретизация и дискретизация по критерию (фильтрация) работают одновременно. Возьмём типовой путь сигнала: игла звукоснимателя считывает непрерывную модуляцию канавки — сигнал ещё цел — поступает на предусилитель, допустим, на OPA637 с обратной связью и дифференциальным входом, где ООС вычитает нелинейность, а диффкаскад подавляет синфазное и заодно чётные гармоники — первое расчленение по критерию. Питание предусилителя стабилизировано LDO типа TPS7A39 — второе расчленение по критерию: стабилизатор вычитает пульсации и добавляет свой шум. Далее сигнал оцифровывается АЦП — расчленение во времени: непрерывная волна нарезается на 96 000 отсчётов в секунду, внутри АЦП дельта-сигма модулятор, noise shaping перекладывает шум в ультразвук, дециматор обрезает — ещё одно расчленение по критерию. Цифровой поток записывается на диск. При воспроизведении — ЦАП, интерполяция, аналоговый фильтр — обратная склейка, и на выход идёт усилитель мощности класса AB — ещё одна дискретизация по критерию: кроссоверные искажения на переключении полуволн, ООС, которая давит всё подряд.

Сколько раз сигнал нарезали и склеивали, сколько раз отсортировали и выбросили «дефектные» куски — и на каждом шаге вопрос: а этот конкретный акт дискретизации был действительно необходим, или его сделали просто по привычке?

А вот другой путь — та же игла считывает ту же канавку, сигнал поступает на ламповый триод в режиме А без обратной связи, без дифференциального каскада, один каскад усиления; питание нестабилизированное — трансформатор, кенотрон, конденсатор, дроссель, конденсатор; далее пассивная коррекция RIAA, второй ламповый каскад, и на выход — к усилителю мощности, тоже ламповому, тоже однотактному, тоже класса А. Два каскада, не нарезался во времени, не фильтровался по критерию, блок питания, правда, размером со сварочный аппарат, розетка греется, и всё это ради 8 ватт на выходе — но сигнал дошёл со всеми своими "прожилками".

Собственно, вся серия постов, которые я написал на нашем форуме — про стабилизаторы, классы усиления, модуляцию, дельта-сигму, DSD, механическую запись, магнитный гистерезис, битность, частоту дискретизации и прочее — это, если честно, разбор одного и того же вопроса с разных сторон: где именно сигнал подвергли дискретизации, зачем, и можно ли было этого не делать. Каждый пост берёт конкретный элемент тракта и прослеживает его историю: откуда появился, какую задачу решал, какой ценой, и нужен ли он сейчас. Потому что эволюция звукового тракта — это не история прогресса, это история компромисса, где каждый шаг от лампы к кремнию, от аналога к цифре, от класса А к классу D экономил энергию, но терял музыку — и до сих пор теряет — не потому, что инженеры глупые, а потому, что в техническом задании массовой музыки нет пункта про музыкальность.

[Дмитрий]

Гениально точно описана механика компромиссов. Почти каждый элемент тракта - это нарезка + фильтрация по критерию.

Всё, что написал Юрий отличный и очень глубокий разбор.
Можно поменять "теряем музыку"... и заменить на "меняем один характер сигнала на другой в обмен на практические плюсы" ... и картина станет идеально точной... в этом интернете.))