ЦАП – Что это такое цифро-аналоговый преобразователь: зачем нужен и как работает

Большинство из нас ежедневно используют как минимум один ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь), встроенный в компьютер, ноутбук, смартфон либо другой гаджет. Это фундаментальное устройство, открывающее мир цифровой музыки. Оно занимается преобразованием потоков цифровой информации в аналоговые сигналы, которые понятны динамикам, наушникам и человеческим ушам.

Что такое ЦАП

ЦАП расшифровывается как Цифро-аналоговый Преобразователь, без него музыка, хранящаяся на смартфоне или ином гаджете, не имела бы никакого смысла.

Любое устройство, которое является источником цифрового звука, от телевизионной приставки до ноутбука, нуждается в ЦАП. Он может быть встроенным либо дискретным, то есть подключающимся отдельно.

Как и усилители для наушников, автономные ЦАП появились как ответ на плохое качество звука, на потребительском уровне.

Высококачественные наушники и динамики могут выявить слабые компоненты источника, их ЦАП и выходные каскады, как самые слабые звенья в аудиосистеме. Это стало особенно очевидным, когда пользователи начали использовать свои ПК в качестве источника звука в 1990-х годах.

Ранее у ЦАП была плохая фильтрация, звук был неправильно экранирован, что приводило к шуму, а источник питания мог быть плохо отрегулирован, это влияло на качество вывода. Но, с тех пор цифровой звук прошёл долгий путь. Усовершенствованные технологии сделали недостатки даже самых дешёвых чипов практически незаметными, а качество потребительского звука резко возросло.

Раньше считалось обыденным, что обычный цифровой аудиоплеер или встроенный ЦАП-чип ноутбука не подходят для прослушивания звука в высоком качестве и с высокой скоростью передачи данных. Однако, в настоящее время хорошие портативные устройства, прекрасно справляются с этой задачей.

Зачем нужен ЦАП

Зачем нужен ЦАП в звуковой карте? Покупка внешнего устройства с цифро-аналоговым преобразователем означает, что шумная среда на вашем компьютере не будет мешать музыке, хотя улучшения будут незначительными.

Основная (настоящая) причина, по которой сегодня стоит приобретать новый ЦАП, заключается в том, что ваша текущая система — будь то компьютер или смартфон — имеет заметные шумы, нежелательные искажения и артефакты, или не способна работать с высоким битрейтом (количество бит при передаче/обработке данных в единицу времени) аудиофайлов.

Если вы уверены, что ваш ЦАП является ограничивающим фактором в системе воспроизведения и его модернизация принесёт улучшения, то это также может считаться поводом для покупки дискретного цифро-аналогового преобразователя.

Хороший ЦАП в значительной степени определяется техническими характеристиками.

Вы всегда можете выбрать тот, который нужен и по карману, просмотрев информацию в интернете. К примеру, FiiO производит много хороших продуктов по разумной цене.

Как работает ЦАП

Принцип работы ЦАП состоит в том, чтобы брать цифровые семплы (образцы), составляющие сохранённую звуковую запись, и превращать их в непрерывный аналоговый сигнал.

Для этого цифро-аналоговому преобразователю необходимо преобразовать биты данных из цифровых файлов в аналоговый электрический сигнал. Затем устройство создаёт и выводит звуковую волну.

Поскольку многие ЦАПы работают не идеально, иногда итоговый результат разочаровывает. Эти недостатки проявляются в виде джиттера, высокочастотного зеркалирования, узкого динамического диапазона и ограниченного битрейта.

Прежде чем выяснить подробности того, как всё работает, вам нужно понять три термина: битрейт, битовая глубина и частота дискретизации.

Вот что они означают:

1. Битрейт – отражает то, сколько данных передаётся в секунду.
2. Частота дискретизации – это частота, с которой происходит оцифровка, хранение, обработка или конвертация сигнала из аналогового в цифровой.
3. Битовая глубина – количество «выборок», взятых за секунду из аналоговой звуковой волны, чтобы сделать её цифровой.

Что такое джиттер

Джиттер — это явление, которое возникает, когда часы, сообщающиеся с ЦАП, не так точны, как должны быть, когда нужно преобразовывать каждый семпл. Это означает, что промежутки между каждым преобразованным образцом не совпадают.

Когда точки выборки не преобразуются в нужное время, это может привести к неточностям в воспроизводимой форме волны, вызывая небольшие ошибки высоты тона. Чем выше воспроизводимая нота, тем значительнее ошибка высоты тона.

Джиттер сегодня в основном является теоретической проблемой, и маловероятно, что она возникнет в оборудовании, произведённом за последнее десятилетие.

Тем не менее важно знать, что это такое. Вы вряд ли столкнётесь с заметным дрожанием, если у вас современное оборудование. Однако, следует отметить, это ещё одна из проблем, которые уже не так распространены, потому что сегодняшние ЦАП намного лучше, чем в прошлом.

Джиттер оказывает влияние только на сверхвысоких частотах, потому что эти ноты имеют самые короткие длины волн. Однако то, что делает высокочастотные звуки более восприимчивыми к этим ошибкам, также снижает вероятность того, что они будут услышаны. Большинство людей старше 20 лет не слышат звуки, в которых наиболее вероятно возникновение джиттера.

Что такое алиасинг

Алиасинг – это наложение двух непрерывных сигналов разной частоты друг на друга при семплировании, в результате которого, в звуке возникают искажения.

Возникает алиасинг только при дискретизации сигнала (во время аналого-цифрового преобразования или при цифровом понижении частоты дискретизации). Он относятся к ошибкам в спектре сигнала из-за частоты дискретизации, ниже частоты Найквиста (равна половине частоты дискретизации).

Алиасинг не происходит на выходе ЦАП, но если на выходе нет должного фильтра нижних частот (интерполяция), то мы получим изображения исходного спектра сигнала, повторяющиеся с частотой, кратной выходной частоте ЦАП.

Эти спектры изображения, вызванные высокочастотным зеркалированием, могут создавать интермодуляционные искажения в звуковом сигнале, если их не отфильтровать должным образом.

Что такое битовая глубина и динамический диапазон

Битовая глубина – это то, что определяет теоретические пределы динамического диапазона аудиофайла.

По сути, каждая отдельная выборка содержит информацию, и чем больше информации содержит каждая выборка, тем больше у неё потенциальных выходных значений. Чем больше разрядность, тем шире и диапазон возможных объёмов нот.

Низкая разрядность на этапе записи, либо в самом файле обязательно приведёт к низкому динамическому диапазону, из-за чего многие звуки будут неправильно подчёркнуты/выражены или вовсе приглушены.

Поскольку в цифровом файле существует ограниченное количество возможных значений громкости, из этого следует, что чем ниже битовая глубина, тем хуже будет звучать файл. Здесь мы снова упираемся в пределы человеческого восприятия.

Наиболее распространённая битовая глубина равна 16 бит, это означает: что для каждой выборки возможно 16 бит информации или 65 536 целых значений. Что касается звука, этот динамический диапазон равен 96,33 дБ. Теоретически означает, что ни один звук ниже пикового уровня в 96 дБ не должен теряться в шуме.

Почему многие люди предпочитают слушать 24-битные звуки – это максимальная битовая глубина, при которой теоретически не должно быть никаких проблем для среднестатистического человеческого уха.

Если вам нравится слушать очень тихие записи, например, оркестровую музыку — и действительно нужно увеличить громкость, чтобы всё было слышно — вам необходим больший динамический диапазон, чтобы услышать всё должным образом. Несмотря на то что вы не накрутите усилитель для получения пиковых значений 144 дБ (SPL), 24-битное кодирование позволит приблизиться к этому, до того, как уровень шума при записи станет проблемой.

Кроме того, если вы записываете музыку, всегда лучше записывать её с высокой частотой дискретизации, а затем понижать, а не наоборот. Однако, необходимость в 24-битных файлах для обычных слушателей сильно преувеличена.

Какой битрейт считается хорошим

К примеру, передача в сервисе Яндекс.Музыка достигает максимальной скорости 320 кбит/с, что вполне приемлемо для большинства слушателей.

Хотя битовая глубина важна, большинство людей знакомы с плохим звуком по ограниченному битрейту, либо агрессивному сжатию аудиоданных. Если вы, слушая музыку на YouTube, а затем переключившись на iTunes или высококачественный потоковый сервис заметили разницу, то вы слышите разницу в качестве сжатия данных.

Чем больше разрядность, тем больше и информации ЦАП должен преобразовать и вывести за один раз. Вот почему битрейт — скорость, с которой декодируются ваши музыкальные данные, имеет большое значение. Скорости 320 кбит/с вполне достаточно для большинства приложений.

Сегодня некоторым нравятся FLAC-аудиофайлы, то есть со сжатием без потерь. Однако это имеет мало смысла при бытовом прослушивании. Даже если вы слышите разницу между 320 кбит/с и FLC, нужно дорогое оборудование для качественной передачи последних.

Низкий битрейт не обязательно означает, что звук будет плохим, но этот факт не обнадёживает. Если у вас есть свободное место на устройстве, возможно, вам всё равно, насколько велики аудиофайлы, но, даже сегодне, не все смартфоны поставляются со стандартными 128 ГБ хранилищами.

Но, если вы не слышите разницы между MP3 со скоростью 320 кбит/с и FLAC со скоростью 1400 и более кбит/с, нет смысла забивать свой смартфон или компьютер тяжёлыми файлами в сложных форматах.

Как выбор ЦАП влияет на звук – видео

Станислав Шаман

Пишет Станислав уже на протяжении почти двух десятилетий. Первоначально для местных СМИ собирал новости в области технологий. Его любовь к научной фантастике разбудила огромную жажду знаний. Пытаясь понять, как это работает и может ли работать лучше, он настолько увлекается, словно погружается в транс. За это, среди коллег в TehnObzor он и получил прозвище — Шаман.