ЦИФРОВЫЕ ПРОЦЕССОРЫ

Давным-давно, во времена моей юности, в южных регионах страны выступали с платными концертами уникумы, которые могли в уме перемножить четырёхзначные числа или извлечь квадратный корень из шести-семизначного числа, или, что для них было вообще раз плюнуть, пару таких чисел сложить.

НЫНЧЕ ТАКИЕ ЛЮДИ, НАДО ДУМАТЬ, ТОЖЕ СУЩЕСТВУЮТ, НО СОБИРАТЬ ПУБЛИКУ ИМ стало гораздо труднее. В связи с повальным распространением калькуляторов большинство населения вовсе разучилось считать в уме, а те уникумы, у которых эта способность сильно развита, не вызывают ни зависти, ни восхищения — вроде как люди, которые умеют шевелить ушами. Ну, умеешь, и бога ради, что толку-то? Преимущество такого умения нивелируется путем инвестиции двух долларов рублями по курсу в ближайшем ларьке с карандашами и скрепками. Casio, восемь разрядов.

Кстати, вы не задумывались, куда нас ведёт технический прогресс? Ещё в стародавние времена, после того, как человек приручил собаку, он постепенно растерял обоняние. Приручил лошадь — разучился бегать. Физическая деградация после этого замедлилась, но в конце прошлого века дошла очередь до мозгов. Появление калькуляторов разучило нас считать в уме, распространение мобильной связи отучило нас от привычки запоминать телефоны и адреса. (Направляясь к кому-то в гости, мы теперь постоянно перезваниваем: «Так какой у тебя дом? Это который с красными балконами?») А широкое распространение компьютеров уничтожает письменность в ее исходном понимании. Я, например, расписываясь в гонорарной ведомости, каждый раз обнаруживаю, что нахожусь на пределе своих каллиграфических способностей. Последний, так сказать, бастион, не дай господь забыть и это, тогда недолго и ноги протянуть...

Но раз уж так все издавна пошло, оставим человеку эволюционировать, как ему суждено, а сами займемся «умными вещами». К их числу, вне всякого сомнения, можно отнести цифровые звуковые процессоры, которые осуществляют обработку сигналов с таким функциональным размахом и такой точностью, которая была попросту недоступна аналоговым устройствам.

Цифровой процессор, особенно внешний, а не входящий отдельными элементами в головное устройство, в car audio играет роль оружия массового поражения. Если он в звуковом тракте есть, то не должно быть задач настройки системы, которые останутся (или могут остаться) нерешенными. Иначе нет смысла огород городить. Все, что делает процессор, он должен, в силу того же тезиса, делать лучше, чем любой его аналоговый функциональный собрат. И, в отличие от последних, цифровой процессор должен предоставлять оператору (сложность обязывает к такому званию) полную информацию о состоянии настроек. Не вам объяснять, что положение движка потенциометра кроссовера на усилителе очень мало говорит о реально установленной частоте среза, положение регулятора графического эквалайзера — чуть больше, а параметрического — еще меньше.

Обязательный набор функций процессора видится так. Первое — это кроссовер с числом полос не менее трех. Меньше нельзя, процессоры предназначены в первую очередь для развитых систем с поканальным усилением и поканальными настройками, значит, три полосы — это минимум, саб — мидбас — пищалка. Если полос есть больше, это дает возможность развернуть и трехполосный фронт, стало быть, это плюс, и несомненный.

Второе — эквалайзер. Он может быть графический, и тогда уж будьте любезны дать все тридцать полос, по треть октавы, или же параметрический, с максимально широким выбором центральных частот и добротностей. А лучше — когда оба. А еще лучше — когда частотную коррекцию можно вводить разную для разных каналов, такая нужда на практике возникает чаще, чем можно предположить.

И наконец, третье, ради чего чаще всего процессор в систему и включают. Временные задержки. Эта функция в аналоге вообще не реализуется, вряд ли можно было считать полноценной «линией задержки» устройство с петлёй магнитной ленты. А для создания эффекта эха служили ревербераторы с листами алюминия, вибратором и микрофоном. Впрочем, главное назначение системы временных задержек в car audio — не создание спецэффектов, а настройка звуковой сцены. То, что конструкторы домашней акустики делают, выбирая положение излучателей на передней панели колонки, в автомобиле может быть реализовано только электрическими методами, и это еще полбеды, вернее — четверть. Вторая четверть — неоптимальное по высоте расположение части излучателей, создать иллюзию высокой звуковой сцены при низком расположении динамиков — задача временной коррекции. Оставшиеся две четверти беды — расположенный далеко сзади сабвуфер, который должен работать синхронно с мидбасами в общей полосе частот, а вне ее — создавать «совместимые» компоненты волнового фронта, и, разумеется, несимметричное положение слушателей относительно оси симметрии фронтальной акустической системы.

Цифровой процессор решает и эти, и иные задачи на качественно ином уровне: требуется лишь задержать выход цифрового кода, ввести масштабные коэффициенты и потом сложить задержанный код с «прямым» нужное количество раз. Для задержки кода очень удобно использовать так называемые регистры сдвига с боковыми отводами: кодовое слово перемещается внутри такого регистра, как по ленте транспортёра со скоростью, определяемой тактовой частотой. Масштабирование цифровому процессору даётся тоже легко: это всего лишь умножение на постоянный коэффициент, а умножение — это, попросту говоря, сложение и сдвиг. (Простейший пример: чтобы умножить цифровой код на два, надо его только сдвинуть на одну позицию влево.) Деление — это тоже сдвиг (уже вправо) и вычитание, а вычитание, кстати, это сложение с отрицательным числом. Как процессор представляет себе отрицательное число, для нас сейчас не важно, нам достаточно понять, что для того, чтобы в совершенстве освоить арифметические действия, наши «гении» должны владеть лишь двумя операциями — сложением и сдвигом.

С временными задержками в первом приближении разобрались, но это лишь одна из функций цифрового процессора. Остаётся ещё фильтрация и амплитудная коррекция, то есть функции активного разделительного фильтра и корректора (эквалайзера). Кстати, русское (до известной степени) слово «корректор», представляется мне более точным, нежели расхожее «эквалайзер», которое дословно означает «уравнитель». (Действительно, далеко не всегда корректор «уравнивает», вот творение полковника Кольта — это и правда «эквалайзер».) Итак, фильтрация. Когда мы пишем о ЦАПах CD-проигрывателей, как правило, указываем, используется ли в нём фильтр с конечной (КИХ-фильтр) или бесконечной (БИХ-фильтр) импульсной характеристикой. Это не просто одна из характеристик фильтра, те и другие отличаются программной реализацией. Характеристика КИХ-фильтра синтезируется путём перемножения параметров входного потока данных на заданную импульсную характеристику, при этом ФЧХ и АЧХ выходного сигнала формируются независимо. В БИХ-фильтре используются цифровые аналоги биквадратного звена, — что это за зверь, для нас сейчас маловажно, достаточно знать, что результат деления характеристических полиномов таких звеньев в точности соответствует характеристике фильтра. Достоинство БИХ-фильтров в том, что коэффициенты полиномов можно оперативно изменять, тем самым меняя частотные характеристики фильтра и его добротность. Как результат, БИХ-фильтры повсеместно используются в процессорах, когда нужно перестраивать их характеристики. Что же касается фильтров ВЧ, которые устанавливаются в ЦАПах, то здесь предъявляются жёсткие требования к ФЧХ при жуткой крутизне спада (72 дБ/окт. — это нормально). Поэтому здесь сам бог велел использовать КИХ-фильтры.

Отдельная история — это фильтры Фурье. Временная последовательность данных преобразуется в частотную характеристику и в таком виде умножается на характеристику фильтра, а потом осуществляется обратное преобразование. Алгоритм преобразования получается проще и требует меньших вычислительных затрат, но... Процесс имеет фреймовый характер: чтобы получить исходную временную зависимость, необходимо обработать несколько последовательных отсчётов (идеально — бесконечно много). Поскольку интервал берётся конечный, происходит так называемое расползание спектра исходного сигнала, которое в чём-то сродни нелинейным искажениям в аналоговой технике. И кроме того, преобразованные фреймы не идеально «сшиваются» друг с другом, отчего возникают характерные шумы. Кстати, фильтры Фурье используются в процессорах Alto Mobile, но они в наш нынешний мини-тест не попали. Фильтры первых двух типов, разумеется, тоже не совсем свободны от искажений. По теории они должны быть особенно заметны на верхних звуковых частотах, поскольку чем выше частота сигнала, тем длиннее последовательность вычислений для достижения той же погрешности.

Существует мнение, даже школа, последователи которой, часто специалисты предельно авторитетные, увенчанные лаврами чемпионов, что идеально поставить в машине сцену «на водителя» без помощи временной коррекции вообще невозможно, не стоит и пытаться. Как у всякой школы, у этой есть оппоненты, уверяющие (а иногда и доказывающие на практике), что можно. В этот спор мы сейчас вступать не будем, тем более что и среди специалистов редакции представлены обе позиции, мы сделаем другое. Поднявшись над спором, заявим следующее: если создатель системы определился с основным вопросом философии car audio в пользу цифрового процессинга, то надо оценить, что у него имеется в распоряжении. И чего ожидать от каждого из трех поучаствовавших в тесте приборов.

Зная, чего обладатель цифрового кроссовера от него вправе ожидать, сформулируем, чего процессор, как и любое другое звено в цепи передачи звукового (не станем забывать об этом на фоне математики) сигнала, делать не должен. Он не должен вносить искажений в сигнал. Звуковой «уголовный кодекс» — это набор фундаментальных технических характеристик, точно такой же, как у аналогового прибора. Уровень шумов, переходное затухание, максимальный коэффициент передачи (то есть усиление), а также максимальный уровень входного и выходного сигнала. Как мы увидим в дальнейшем, по показателю отношения сигнал/шум цифровые процессоры заметно превосходят своих аналоговых предшественников, поэтому здесь не принимают специальных мер для «максимизации» сигнала. И вообще, цифровые процессоры, как правило, работают с сигналом относительно небольшой амплитуды, но если, к примеру, максимальный уровень входного сигнала меньше 2 В, то это я считаю недостатком. Некоторые из показателей измерялись с использованием как аналогового (А), так и цифрового (Ц) входа, если, конечно, последний был предусмотрен в конструкции процессора. Относительный уровень шумов и коэффициент нелинейных искажений (по аналогу) измерялись при единичном коэффициенте усиления и сигнале 1 В RMS. Кстати, при подготовке материала по процессору Alpine (№12/2003) это условие не было соблюдено, да и прослушивание, как мы потом поняли, было проведено не совсем корректно. Теперь мы знаем, что нельзя одновременно использовать импульсные и аналоговые усилители в широкой полосе частот. Оказывается, ШИМ-процесс вызывает заметное запаздывание сигнала, а сложение звучаний, «подготовленных» усилителями разных типов, приводит к удручающему итогу. Думается, профессионализм это не только умение избегать ошибок, но и способность их исправлять, если всё же таковые произошли. Вот поэтому мы решили ещё раз обмерить и «обслушать» процессор Alpine PXA-H700.

Ведь если измерения это уголовный кодекс, где расписано, за какие заслуги — сколько (при измерениях — наоборот, за сколько — какие заслуги), то прослушивание — это суд присяжных. Присяжные цифр не знают, они должны решить, виновен процессор в искажении звучания или нет. Идеальный процессор не должен вносить от себя ничего, кроме того, что требуется. То есть если корректор установлен «по нулям» на всех частотах, а фильтры кроссовера отключены, то звучание прямого и обработанного сигнала должно быть неотличимо. Это — идеал, он недостижим по определению, но надо сказать, что различия между звуком «до» и звуком «после» оказались не драматическими. Мы считаем, что если они имеют тот же порядок, что различия в звучании разных CD-проигрывателей, то процессор имеет право на высокую оценку: 8 баллов. При прослушивании мы подавали на разные входы профессионального микшерного пульта сигнал от источника и с выхода процессора (источником служил домашний CD-проигрыватель Technics). Подключив к пульту студийные наушники, нам оставалось только уравнять громкость по каждому из входов, а потом попеременно подключать одну или другую «кассету» пульта. Кстати, и в данном случае тоже смешивать оба сигнала никак нельзя: из-за того, что обработанный сигнал отстаёт от прямого, их суммирование приводит к неординарным (мягко говоря) результатам. Итак, общее сказано.

Ещё статейка за 2000г :

Цифровые звуковые процессоры

Марк ГАСАНОВ

Принцип действия звукового процессора (ЦЗП – русская аббревиатура) основан на задержке цифровой информации с использованием регистров сдвига (чаще всего). Представьте себе конвейерную ленту, на которую с одного края поступает нечто. В нашем случае это цифровая информация, но для наглядности пусть это будет песок. А она, информация, заключена в количестве этого песка, приходящемся на каждое поперечное сечение нашего транспортера. По ходу движения ленты расположены боковые отводы, где можно отгрести от того количества песка, которое проходит в данный момент мимо. Естественно, чем дальше будет расположен отвод, тем на большее количество времени будет «задержан» наш песок. Задержанную информацию можно отмасштабировать, то есть умножить/разделить (для процессора это элементарные операции сложения и сдвига) и вновь направить на вход (в начало нашего конвейера). Программно меняя масштабные коэффициенты для разных боковых отводов, мы получим довольно сложные имитации реверберационных полей.

Такое устройство уже имеет право носить название ЦЗП. Однако, «по жизни» ему добавляют еще несколько функций. Во-первых, если позволяют возможности процессора, можно внести постоянные (но различные) задержки в информацию каждого звукового канала, тем самым «фокусируя» звук в нужной точке помещения (в нашем клиническом случае это – салон автомобиля). А во-вторых, наличие задержанных цифровых потоков позволяет без особых затрат построить и цифровой эквалайзер – он ведь состоит из набора фильтров. А работа цифровых фильтров как раз и заключается в умножении (то есть, опять в сложении и сдвиге) разных задержанных потоков на заданные коэффициенты.

Вот так выглядит «джентльменский» набор большинства ЦЗП. Если чего-то нет, значит, разработчики поленились, а если присутствует что-то лишнее, значит, они хотят выглядеть лучше других. Ну и, конечно, возможны различия в количестве преднастроек эквалайзера, реверберационных симуляторов и регулируемых параметров реверберации.

За что платим, теперь, как будто, ясно. Только добавлю, что РАЗУМНОЕ использование симуляторов звуковых полей снижает утомляемость от музыки. Дело в том, что акустика автомобильного салона, мягко говоря, своеобразна. И когда вы слушаете качественную запись, создающую эффект присутствия, ваш мозг все равно чувствует, что вы сидите в ящике, где присутствие оркестра невозможно. А при помощи ЦЗП его можно если и не обмануть совсем, то создать устойчивую иллюзию.

Теперь об искажениях. С пуристской точки зрения нет ни одного цифрового процессора, даже эквалайзера, который бы не вносил искажений в звук. Но я бы сказал, не искажений, а изменений, и то, что они всегда к худшему, не факт. Между прочим, большинство студийных записей проходят через ЦЗП. Правда, те звуковые процессоры гораздо дороже, и пользуются ими грамотные люди. Выводы делайте сами. Но отмечу еще кое-что.

При всех многочисленных сложениях-вычитаниях-сдвигах в цифровом слове теряются младшие биты. После преобразования в аналог задержанный сигнал становится «грубым и неженственным». Причем, если применяются 16-разрядные АЦП и ЦАП, то отношение сигнал/шум составляет около 80 дБ (а реально доходит и до 72). Если же используются 20-разрядные преобразователи, то отношение сигнал/шум будет порядка 100 дБ, а реверберированный сигнал воспринимается более натурально.