Пара слов о составе, работе и оптимизации цифрового аудиотракта с использованием компьютера и USB. В принципе, тема скучная и букв получилось много, так что если осилить сложно — сразу переходите к выводам.
Basic
Звуковой сигнал, в общем случае, кодируется последовательностью значений амплитуды сигнала, измеренных через равные промежутки времени. Единичное значение амплитуды называют сэмплом, а время между двумя соседними измерениями — частотой дискретизации или частотой квантования. В подавляющем большинстве случаев сэмпл при передаче на аудиоустройство описывают знаковым целым числом — разрядности 16, 24 или 32 бита. Разрядность в 32 бита может быть использована для выравнивания буфера устройства по границе двойного слова, тогда семпл кодируется только первыми 24 битами, или же для полноразрядного кодирования. Первый вариант доступен в ASIO и WASAPI, второй только в WASAPI.
Максимально достижимое соотношение сигнал/шум определяется разрядностью сэмпла и вычисляется как 20log(2^q) где q — разрядность сэмпла.
16 бит — диапазон сэмпла [−32768, 32767], SNR 96.33 дБ
24 бит — диапазон сэмпла [−8388608, 8388607], SNR 144.49 дБ
32 бит — диапазон сэмпла [−2147483648, 2147483647] , SNR 192.66 дБ
Частоты дискретизации (количество сэмплов в секунду для одного канала) из-за взаимной кратности стоит выписать в два набора: {44100, 88200, 192000} и {48000, 96000}. Два набора частот приводят к тому, что аудиоустройству нужно два осциллятора для качественной синхронизации. Конечно, можно использовать и один с кратной частотой, например, как 88200, так и 96000 Гц, но это существенно повышает сложность исполнения точного тактового контура.
Вывод: качественное аудиоустройство должно иметь два осциллятора, один для работы с частотами {44100, 88200}, второй для {48000, 96000, 192000}.
DSP
При обработке цифрового сигнала (DSP — digital sound processing) сэмпл масштабируется как минимум к 64-битному числу с плавающей точкой (double64) в диапазоне от –1 до 1. Наиболее часто применяются преобразования upsampling/downsampling и upscale/downscale. Второе заключается в изменении разрядности сэмпла и в подавляющем большинстве реализаций сводится к простому масштабированию 64-битного double к желаемой битовой разрядности. Данное преобразование помимо масштабирования полезного сигнала делает точно такое же масштабирование и шума, поэтому upscale не меняет соотношение сигнал/шум исходного сигнала, а downscale дополнительно увеличивает долю шума за счет деградации разрядности полезного сигнала.
Upsampling/downsampling очень часто выполняется через решения полинома n-го порядка (как правило, кубического). Берется последовательность из K-сэмплов, и из них рассчитываются коэффициенты интерполирующего полинома, затем полученный полином решается для новых точек семплирования. В идеальном случае, согласно теореме Найквиста-Котельникова, upsampling может только сохранить разрешение исходного сигнала на новой частоте семплирования. В неидеальном случае возможно появления шума на высших гармониках. Интересно, что downsampling после upsampling вернет исходное значение сигнала, даже если после upsampling в нем появились искажения и шум.
В студиях используют алгоритмы, объединяющие upsampling и upscale в единый процесс для увеличения разрешения сигнала и его динамического диапазона. Эти алгоритмы достаточно «тяжелы» и не могут быть использованы при воспроизведении в реальном времени.
Еще один случай обработки DSP — это convolution (свертка), применимая для адаптации сигнала под акустические свойства комнаты. Здесь исходный сигнал разлагается на гармоники в ряд Фурье до n-го порядка. К сожалению, все быстрые алгоритмы как правило работают с амплитудой сигнала определенной частоты без учета фазы (которую еще очень непросто правильно измерить). Более того, быстрые алгоритмы не решают интеграл, а берут среднее значение в диапазоне. В результате вся коррекция сводится к параметрическому эквалайзеру. Простые полосные фильтры вносят фазовые искажения на частотах разделения, из-за этого параметры convolution нужно еще раз и еще раз подстраивать.
MQA на высоких гармониках, на мой взгляд, инкрементально кодирует первую производную (наклон) функции амплитуды сигнала. Зная частоту гармоник кодировки, простым разложением в ряд Фурье очень просто вытащить и восстановить поведение производной. А имея производную, можно уже делать upsampling не полиномами, а сплайнами со сглаживанием. Вот тогда, уже в реальном времени, можно делать upsampling и upscale с увеличением разрешения и динамического диапазона сигнала. Конечно, это не будет оригинальный Hi-Res, но уже кое-что.
Выводы: Upscale не улучшает соотношение сигнал/шум. Upsampling не улучшает разрешения сигнала. Upsampling имеет смысл для перехода от линейки 44100 к 48000, если осциллятор Вашего устройства лучше для 48000. Использование room correction требует итеративной настройки и, во многом, непредсказуемо.
Software player
Я ограничусь рассмотрением Windows-архитектуры, как наиболее доступной и наиболее оптимальной для создания цифрового транспорта. Windows предоставляет три варианта доступа к аудиоустройству: Kernel Streaming, Direct Sound, WASAPI. Плюс подавляющее большинство аудиоустройств поставляются с ASIO-драйвером. Из перечисленных способов только Direct Sound и ASIO являются полноценными аудиоинтерфейсами с возможностями DSP: upsampling/downsampling, upscale/downscale, управлением громкостью и микшированием. Кроме того, ASIO имеет возможность расширения аудиотракта за счет плагинов.
Kernel Streaming и WASAPI являются протоколами низкого уровня для управлений различными устройствами, в том числе и аудио. При этом тяжесть любой DSP-обработки сигнала ложится на программный плеер, использующий эти протоколы. Современные высококачественные программные плееры используют в работе WASAPI и/или ASIO, поскольку оба они предоставляют возможность асинхронной передачи аудиоданных из памяти компьютера в память аудиоустройства.
На всякий случай замечу, что память компьютера и память аудиоустройства — физически разные микросхемы. Программный плеер при работе имеет доступ только к памяти компьютера, где и формирует аудиоданные. Перезапись сформированных данных из одной памяти в другую осуществляется драйвером аудиоустройства.
WASAPI и ASIO имеют практически идентичный принцип работы: плеер подготавливает данные в буфере обмена и указывает протоколу адрес этого буфера, затем он подготавливает следующий буфер и ждет пока протокол не закончит обработку первого. Поскольку процесс подготовки данных и их воспроизведение идут параллельно, то протоколы называют асинхронными. WASAPI в отличие от ASIO имеет два режима работы.
Первый режим — «совместное использование» устройства, когда несколько процессов одновременно могут передавать данные устройству. Второй режим — «эксклюзивный», когда устройство блокируется для монопольного использования только одной программой (одним клиентом). ASIO работает исключительно в эксклюзивном режиме. С точки зрения воспроизведения разницы между WASAPI и ASIO не существует, кроме разве что возможности передачи по WASAPI полноразрядного 32-битного семпла (ASIO если и будет поддерживать такой режим, то все равно будет использовать только первые 24 бита из 32).
Как было отмечено выше, upscale не улучшает соотношение сигнал/шум и, поскольку полноразрядного 32 исходного файла я ни разу не встречал, то и здесь нет никакой разницы между WASAPI и ASIO. Тем не менее, я как программист и как слушатель предпочитаю WASAPI, естественно, в эксклюзивном режиме. Но это дело исключительно вкуса и личных симпатий.
Вывод: если Вы (как и я) воспроизводите аудиосигнал без DSP-обработки, то Вы можете использовать любой (*) программный плеер, поддерживающий WASAPI Exclusive и/или ASIO.
(*) смотри внимательно следующий раздел.
USB Audio
Начну с хорошей новости для Windows: начиная с релиза 1703 включен нативный драйвер USB Audio 2.0.
USB-аудио может работать в трех режимах: асинхронном, синхронном и адаптивным. При асинхронном режиме источник устанавливает значение клока и передает это значение вместе с буфером данных на аудиоустройство. Оно должно синхронизироваться по полученному клоку, обработать буфер, используя свой клок, и послать подтверждение источнику.
При синхронном режиме источник и аудиоустройство периодически синхронизируют свои клоки, а данные уже передаются без тайминга. При адаптивном режиме значения клока указывает аудиоустройство, а источник должен синхронизировать передачу данных.
Как видно, синхронный режим — самый требовательный, поскольку требует качественного клока как на источнике, так и на аудиоустройстве. Как правило, система работает в асинхронном режиме, а значит использует клок компьютера, качество которого не отвечает требованиям Hi-Fi и порождает огромный джиттер. Собственно говоря, это проблема породила кучу эзотерических плееров, которые перепрограммируют системный таймер, меряют скорость процессора, захватывают наибольший приоритет или вообще кладут компьютер в гибернативный режим.
Проблему это целиком не решает, но джитер снижается. Более приемлемый способ решения — это использование промежуточного буфера с реклоком. Это устройство не воспроизводит полученный буфер данных, а передает его дальше по цепочке, но уже с собственным временным кодом, полученным от собственного прецизионного осциллятора. Качество звука при этом существенно улучшается. На мой взгляд, из доступных буферов наиболее хорош Amanero, но можно использовать и XMOS с хорошим осциллятором.
Другое решение — это использование специализированного цифрового транспорта. В таком транспорте установлен качественный независимый выделенный осциллятор (как правило, два) для работы с частотами {44100, 88200, 192000} и для {48000, 96000}. Во всем остальном, это устройство намного примитивнее чем обычный компьютер. Как правило, при наличии опыта, очень качественный цифровой транспорт можно собрать самому на основе одноплатовых миникомпьютеров и софта Open Source. Поэтому цены на различные фирменные реализации цифрового транспорта меня реально шокируют.
Кардинальное и самое правильное решение для устранения джиттера и получения действительно правильного звука — это использование внешнего мастер клока. При этом и железо плеера, и ЦАП должны быть подключены к нему в слэйв-режиме. Именно такой подход используется в студиях звукозаписи.
Вывод: качество звука лучше улучшать не эзотерическим софтом, а железным цифровым буфером с реклоком. Самое правильное решение — это использование внешнего мастер клока
