Генераторы тактовых импульсов: теория синхронизации (часть 2) [перевод]

ТEКСТ: Комментарии (2)
72.04 дБ
Генераторы тактовых импульсов: теория синхронизации (часть 2) [перевод]

Техническая часть предлагает доступный разбор, с помощью которого конечный пользователь цифровых аудиосистем, который, как мы полагаем, не имеет глубоких технических знаний, может начать более эффективно оценивать подобные системы. Некоторые более глубокие технические концепции рассмотрены здесь в доступной форме, а также даны рекомендации для прослушивания.

Часть 1. История возникновения тактовых генераторов

Техническая перспектива: введение в ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты)

Cубъективный подход может пригодиться техническим специалистам, дав толчок их исследованиям. И точно так же даже поверхностное знакомство с техническими аспектами работы пользовательского оборудования способно помочь нам в уточнении субъективных оценок. При вдумчивом подходе эстетические и технические аспекты могут идти рука об руку и достигать более глубокого понимания предмета.

Со временем пользователи все больше вникают в суть понятия ФАПЧ (система фазовой автоподстройки частоты). ФАПЧ управляет потоком цифровых данных в преобразователе и, следовательно, отслеживает и сводит к минимуму несогласованность по времени при доставке данных, которую мы называем джиттером. Принято считать, что системы с меньшим уровнем джиттера звучат лучше, поэтому более подробное знакомство с тем, как ФАПЧ управляет джиттером, является ключом к тому, чтобы более тонко оценивать качество цифровых аудиосистем.

Когда вы посылаете цифровой аудиосигнал в конвертер (или в цифровой интерфейс), то конвертер необходимо синхронизировать с дискретизацией этого сигнала. В большинстве преобразователей для этого применяется система ФАПЧ, которая пытается сонастроиться с входящим (опорным) тактовым сигналом. Для этого в ФАПЧ используется так называемый компаратор, который отслеживает фазовое соотношение между собственным и входящим тактовыми сигналами.

Если в этом соотношении имеются какие-либо изменения, система ФАПЧ настраивается так, чтобы оставаться настолько синхронизированной (с опорным сигналом), насколько это возможно. Этот процесс называется «установлением фазовой синхронизации» (или фазовой автоподстройкой частоты). При этом ФАПЧ отсылает свой тактовый сигнал в обратном направлении для сравнения с входящим сигналом — поэтому этот процесс также называют петлей ФАПЧ (по англ. PLL — phase lock loop).

Как и в случае с любым электронным устройством, существует множество способов применения ФАПЧ, но то, что отличает одну конструкцию ФАПЧ от другой, выходит за рамки данной статьи. Для наших целей мы будем придерживаться базовых основ, которые конечные пользователи смогут использовать при работе со своими цифровыми системами.

Если тактовый сигнал входящих данных имеет высокий уровень джиттера (фазового дрожания), то это создает определенные проблемы. Правильно сконструированная ФАПЧ-система будет синхронизироваться с входящим тактовым сигналом и в то же время максимально игнорировать его джиттер. Если вам когда-нибудь приходилось видеть, как заклинатель змей находит такое место, в котором кобра еще не атакует, но и не уползает — у вас есть некоторое представление о том, как правильная система ФАПЧ делает свое дело.

Следующей подходящей аналогией может служить круиз-контроль автомобиля, который необходимо постоянно настраивать, обеспечивая плавность хода. Если круиз-контроль слишком чувствительный, автомобиль будет постоянно ускоряться и замедляться, если же он недостаточно чувствителен — машина будет терять требуемую скорость.

ФАПЧ внутри цифрового аудиоконвертера (ЦАПа) работает аналогично тому, как заклинатель змей справляется с коброй, находя золотую середину, в которой змея становится полностью неподвижной

ФАПЧ, слишком быстро реагирующая на входящий джиттер, не в состоянии его игнорировать и, поэтому, в сущности, будет воссоздавать его. Такую систему часто называют «быстрой» или «быстро отслеживающей» ФАПЧ. Скептики могут подметить, что ЦАПы с такой быстрой системой ФАПЧ слишком «чувствительны к входному джиттеру». Это и вправду не очень хорошо, однако правильно сконструированную быструю ФАПЧ можно рассматривать как прозрачную, поскольку такая система представляет собой относительно точную копию входного сигнала.

Правильно сконструированная медленная система ФАПЧ будет точно синхронизироваться с временной разверткой входного сигнала, но не будет воссоздавать его джиттер. Также можно сказать, что медленные ФАПЧ-системы тоже являются прозрачными, так как они представляют исходные данные без джиттера устройства-источника. По сути, ЦАПы могут иметь один из двух различных типов прозрачности: а) прозрачность, которая показывает джиттер устройства-источника; б) прозрачность, игнорирующая этот джиттер источника. Какая из них лучше, зависит от того, что именно мы хотим услышать.

Мы приводим здесь сравнительно упрощенный взгляд на то, как работают быстрые и медленные системы ФАПЧ, но для наших целей этого вполне достаточно. Мы считаем, что производителям конвертеров (ЦАПов) стоило бы рассказать нам о степени прозрачности, которой они стремятся достичь в своих устройствах

Поскольку обычно нам нужно минимизировать джиттер, в большинстве случаев мы будем довольствоваться медленной ФАПЧ, игнорирующей входной джиттер, но в отдельных случаях для мониторинга цифро-аналогового преобразования вполне может пригодиться и быстрая ФАПЧ, которая воспроизводит джиттер источника сигнала. Если бы у нас была такая возможность, то все мы наверняка предпочли бы ЦАПы с регулируемой ФАПЧ, что позволило бы нам по необходимости делать выбор между обоими типами прозрачности. Также не лишним видится наличие документации, описывающей тип ФАПЧ в каждом конкретном устройстве.

Еще одно важное понятие, которое следует учесть, — это фазовый шум. Грубо говоря, если джиттер — это несогласованность во времени, то фазовый шум — это несоответствие по частоте, являющееся следствием джиттера. В контексте нашего разговора, джиттер и фазовый шум — это в значительной степени взаимозаменяемые понятия, однако мы все попытаемся разграничивать эти явления в зависимости от контекста.

Понимание взаимосвязи между временной и частотной областями необходимо для более глубокого понимания работы ЦАПов. Для наших целей полезно иметь хотя бы поверхностное представление о том, как джиттер в тактовом генераторе (эффект во временной области) превращается в фазовый шум (частотная область). Это позволит нам представить, как генераторы тактовых импульсов влияют на аудиосигналы

Как правило, практически все, что разработчик ФАПЧ может сделать для уменьшения джиттера/фазового шума, положительно скажется на аудиосистеме в целом. Поэтому разработка ФАПЧ всегда остается главной задачей для конструкторов, когда дело касается минимизации джиттера. Более полное понимание природы ФАПЧ в наших цифровых аудиосистемах поможет нам тоньше воспринимать их звучание, а также учесть все эти важные моменты при совершении покупки.

Долговременная и кратковременная стабильность тактового генератора

Как и в случае с ФАПЧ, даже поверхностное представление о тактовых генераторах поможет нам стать более информированными пользователями и потребителями в данном вопросе.

Технические специалисты делают акцент на долговременной и кратковременной стабильности генератора тактовых импульсов, что напрямую зависит от того, в какой именно сфере этот генератор будет использоваться. Долговременная стабильность выражается в том, насколько сильным будет уход/изменение (drift) частоты генератора по истечении длительных периодов времени — зачастую они измеряются промежутком в 1 000 лет.

Кратковременная стабильность показывает, как будет изменяться частота тактовых импульсов за экстремально малые доли секунды. Наибольшую важность для аудио представляет кратковременная стабильность, так как мы хотим, чтобы наши единицы и нули передавались как можно более равномерно (стабильно) во времени, в то время как изменение точности сигнала по истечении 1 000 лет не имеет для нас никакого значения.

На деле, кварцевые генераторы имеют очень хорошую кратковременную стабильность, но сравнительно низкую долговременную стабильность, поэтому именно их большинство разработчиков использует для аудио. Эти генераторы довольно сложны, но в итоге они обеспечивают прямоугольную волну с такой же частотой дискретизации, с которой работают ФАПЧ и прочие устройства в преобразователе.

Однако, к примеру, в телекоммуникационной отрасли важны обе стабильности, поэтому появилась разновидность клоков, в которых используются рубидиевые генераторы, чтобы обеспечить кристаллам хорошую долгосрочную стабильность. Сейчас аудиомир захватила идея «атомных генераторов тактовых импульсов» (atomic clock), и, несмотря на тот факт, что долговременная точность не имеет значения для аудио, атомные клоки наделали немало шума как на аудиофильском, так и на профессиональном аудиорынке.

Так называемые атомные клоки генерируют высокочастотную синусоидальную волну в 10 МГц, которая далее может использоваться совместимыми с ними тактовыми генераторами, предназначенными для аудио. В большинстве конфигураций 10-МГц генераторы представляют собой автономные устройства, которые отправляют свой сигнал либо в устройство Word Clock, совместимое с 10 МГц (на рынке Pro-аудио их всего несколько), либо на внутренний клок ЦАПа.

На данный момент только Antelope производит профессиональные преобразователи, совместимые с 10 МГц. Новый Antelope 10MX вмещает в себя оба устройства: генератор (10 МГц) и Word Clock, которые находятся в едином блоке высотой 1RU (для монтажа в рэковую стойку). Такое решение впервые используется на рынке профессионального аудио.

Принцип работы рубидиевого генератора довольно сложен, но его основы помогают нам понять, как и почему два отдельно взятых тактовых генератора с частотой в 10 МГц могут функционировать так по-разному. Внутри тактового генератора имеется кварцевый генератор (в некоторых применяются кристаллы с частотой 10 МГц, в других — кратные 10 МГц).

Внутри тщательно контролируемой нагретой камеры находится немного рубидия, который будет выдавать исключительно стабильный высокочастотный сигнал, обеспечивающий долговременную стабильность кристалла. Поэтому кварцевый генератор может генерировать очень точную синусоидальную волну с частотой в 10 МГц.

Рубидиевые генераторы — это сложнейшие устройства, поэтому разработка такого клока представляет собой тонкую задачу. Для контроля всех процессов внутри генератора на 10 МГц используется множество ФАПЧ и прочих сложных устройств — вообразите себе группу заклинателей змей, удерживающих на месте многоголовую змею, и вы получите смутное представление о том, что на самом деле происходит внутри рубидиевого генератора на 10 МГц. Остальная часть конструкции связана с питанием и портированием данного клока для получения на выходе чистой синусоидальной волны с частотой в 10 МГц.

Единственное, что мы определенно точно можем сказать о тактовых генераторах на 10 МГц: они представляют собой гораздо более сложные устройства, чем стандартные клоки на основе кристалла. Одна из причин такой сложности связана с достижением долговременной стабильности, которая, насколько нам известно, не улучшает качество звучания.

В конечном итоге мы придем к выводу, что частота в 10 МГц для аудио была маркетинговой уловкой. Однако для обоснования этого вывода важно пройти тщательный процесс не слепого прослушивания, а также понять некоторую логику в том, как технология с применением клоков на 10 МГц оказалась серьезно воспринята аудиосообществом.

Как прослушивать клоки

Как бы мы ни приветствовали необходимость объективного измерения с использованием соответствующих измерительных инструментов и, в меньшей степени, двойного слепого тестирования, обычный не слепой способ прослушивания остается методом, с помощью которого подавляющее большинство людей будет оценивать аудиоаппаратуру, включая клоки и ЦАПы.

Оценка не слепого прослушивания всегда строится на отдельных наблюдениях, однако мы могли бы помочь пользователю лучше понять, как мыслить и передавать свои собственные субъективные впечатления, а также обеспечить взаимопонимание между сторонниками субъективного и объективного подхода. Таким образом мы бы продвинулись вперед в этом затяжном разговоре о цифровом аудио.

При рассмотрении чего-либо столь же утонченного (но широко распространенного), как синхронизация, акцентирование внимания на параметрах звучания, подверженных влиянию тактовых генераторов, поможет слушателям с любым уровнем знаний и опыта развить свой слух, а также предоставит нам полезный словарный запас терминов, который поможет описать то, что мы слышим. Мы полагаем, что эстетическое чувство может быть развито лучше при надлежащем руководстве и что фокусировка нашего внимания на специфических аспектах сенсорных раздражителей в конечном счете поможет нам стать экспертами.

Ниже приведен список характеристик звучания, которые могут быть услышаны при смене генераторов тактовых импульсов в цифровой системе. В целом, мы уверены, что улучшения любого из этих параметров, вероятнее всего, указывают на уменьшение уровня джиттера.

Clarity («ясность», «чистота», «четкость»). Многие системы считаются «открытыми», так как демонстрируют больше звуковых деталей в высокочастотной области, для которой характерно более высокое разрешение. Определенные звуки — к примеру, звучание ride-тарелок или сибилянты в вокальных партиях — могут быть более детальными и интересными, и ВЧ-динамики в таком случае как бы раскрывают больше информации. Но весь частотный спектр при этом также будет демонстрировать разные уровни ясности.

Changes to Soundstage Shape («изменение сцены»). Некоторые тактовые генераторы будут усиливать центральный звуковой образ, в то время как другие будут стремиться расширить стереобазу, делая акцент на левом и правом дальних краях сцены. Это можно сравнить со звуковой сценой, имеющей «вогнутую» или «выпуклую» форму.

Front-to-Back Depth («глубина сцены»). Глубина звукового образа может изменяться при смене клоков. Как правило, более качественный тактовый генератор будет демонстрировать большую глубину. Зачастую, наряду с увеличением глубины, на записи повышается детальность отраженного звука.

Three-Dimensionality («трехмерность»). Трехмерность, тесно связанная с формой звуковой сцены и ее глубиной, также может рассматриваться как отношение фантомного музыкального образа в центре к остальной части звуковой сцены. Некоторые люди называют это «голографическим» звучанием или даже «голосоникой», потому что звук становится (обратите внимание на визуальный язык) как бы трехмерным.

Localization & Individuation («локализация и индивидуализация»). Способность различать и определять местонахождение отдельных звуков в звуковом образе часто может улучшаться при уменьшении джиттера. При этом панорамное расположение (позиционирование) музыкальных образов может казаться более точным, а местонахождение (разделение) отдельных инструментов в пространстве — более определенным.

Low-End Focus («фокусировка нижних частот/баса»). Внешний тактовый генератор может влиять на плотность и фокусировку самых нижних частот, равно как и на звуковую подачу таких низкочастотных инструментов, как бас-гитара.

Low-End Extension («протяженность низких частот»). Хороший тактовый генератор иногда заставляет цифровую систему расширять свои низкочастотные характеристики (вопиющий пример этого будет рассмотрен ниже).

General Ease of Listening («общая легкость прослушивания»). Для многих слушателей уменьшение уровня джиттера может вызвать ощущение расслабленности при прослушивании, особенно в течение длительного времени. Некоторые заметят, что их тело больше расслабляется при прослушивании одной системы по сравнению с другой.

Richness («насыщенность/яркость»). В высшей степени субъективное качество. Многие опытные слушатели отметят, что звучание становится более «богатым» при минимизации джиттера. Мы полагаем, что слушатели сами придадут этому термину собственное значение и будут использовать его так, как им угодно. Мы также склонны думать, что данный термин может означать суммарный результат многих (если не всех) улучшений вышеперечисленных характеристик.

Мы перешли на описательные формулировки, которые обычно можно услышать от аудиофилов или которые ассоциируются с ними. Мы считаем, что рекорд-мейкеры и далее будут пользоваться этим описательным языком и даже копаться в аудиофильских словарях в поисках лингвистических новшеств.

Развитие языка, который мы используем для описания более тонких аспектов того, что мы слышим, будет только способствовать обмену впечатлениями друг с другом, а также с разработчиками продуктов, которые могли бы использовать наши описания для создания своей техники. Подобный язык всегда будет тем материалом, с помощью которого мы наводим мосты между субъективной и объективной перспективами.

Но мы все же сделаем оговорку: если вы не слышите различий при прослушивании разных тактовых генераторов — это ваш субъективный опыт. Не слышать разницу столь же актуально и важно, как и слышать ее — ведь ключевой аспект здесь состоит в том, чтобы стать опытным экспертом и не позволить чужому мнению склонить вас к тому, чтобы услышать то, чего нет.

Основная проблема кроется в том, что так называемое «управляемое прослушивание» может вызвать предвзятость (тенденция искать подтверждение своим ожиданиям), что представляет собой колоссальную проблему в научно-исследовательской деятельности. Мы не стремимся убедить кого-либо принять нашу идею не слепого прослушивания как научную. Вместо этого мы хотели бы прояснить, что это за парадигма и как можно использовать ее на практике.

Продолжение: часть 3 (практика)

72.04 дБ +

Комментарии

#

Хорошая статья, информативная-много для себя узнал нового. Спасибо.

- 50 дБ +
#

Отборный аудиофильский бред

- 50 дБ +
Чтобы оставить комментарий, войдите, пожалуйста.