Аналог и цифра - pro и contra звуковой техники (стр. 3 )

До широкого внедрения прогрессивных и значительно более качественных кремниевых (а позднее и полевых) транзисторов для получения субъективно одинаковых с ламповыми (например, -70 дБ), шумовых характеристик требовалось иметь собственные шумы входных транзисторных каскадов порядка -82 ~ -85 дБ. На первый взгляд это увеличивало на 12-15 дБ динамический диапазон малосигнальной области, однако на практике дело обстояло далеко не так радужно. Рассмотрим подробнее зону малосигнальной области. Строго говоря, это весьма условное понятие. Зоной малых сигналов принято считать область значений уровней полезных сигналов, соизмеримых с шумами или несколько выше их.

Для качественной, хорошо записанной фонограммы характерно прозрачное звучание с хорошо проработанными мелкими деталями, подробно, или, как теперь говорят, с высоким разрешением передающими акустические характеристики пространства, звучаниe тихих, затухающих звуков, текучесть спектра музыкальных инструментов, особенно имеющих долгий декремент затухания. При этом затухающие звуки не исчезают в никуда, а, подходя к шумовому порогу "сверху", определяют характер микродинамики и, постепенно растворяясь в шумах, некоторое время продолжают там "жить", взаимодействуя с ними под порогом.

В свою очередь, различимость сигнала, находящегося на границе порога шума и под ним, тем выше, чем меньше плотность спектра шума. Поэтому чем выше спектральная плотность шума, тем выше его маскирующее воздействие и, как следствие, тем менее различимым становится полезный сигнал, который находится под порогом шума, и тем менее прозрачно звучит фонограмма, особенно при последующей оцифровке, с какой бы разрядностью и частотой дискретизации это ни совершалось. Напротив, чем выше разрядность и частота квантования, тем более зернистым и корреляционно-структурированным становится результирующий шум, загромождая фонограмму в малосигнальной области и делая менее различимыми (эффект маскирования) мелкие детали звуковой картины.

Поначалу это заставляло звукорежиссеров, осваивающих новую транзисторную технику, менять наработанные приемы записи и искать другие решения, чтобы получить привычное по совокупному шуму и искажениям узнаваемое звучание, соответствующее накопленному опыту. Здесь, как и в случае сравнения патефона с граммстолом, описанном выше, на первый взгляд все параметры, например, линейки микшера, выглядели очень привлекательно - более широкая полоса частот, отсутствие входных трансформаторов в микрофонных предусилителях, ограничивающих эту полосу, более низкие (в численном выражении, разумеется) нелинейные искажения, лучшее отношение сигнал/шум и т. д. Но чаще случалось так, что привычные микрофоны, подсоединенные к такому бестрансформаторному входу линейки микшерного пульта, начинали "петь не своим голосом", ставя персонал студий в тупик. В такой ситуации сама собой возникала ностальгия по-прежнему (и привычному) звучанию, что в конечном счете и привело к современному "ламповому ренессансу". В настоящее время каждая мало-мальски уважающая себя студия звукозаписи стремится иметь в своем микрофонном парке хотя бы один если не полностью ламповый микрофон, то хотя бы ламповый прецизионный предусилитель, который и формирует начальную структуру шума входного сигнала.

Например, для получения привычного совокупного общего шума при сведении фонограммы есть два места его "руления" и контроля - один в линейках, другой в мастер-секции. Допустим, в пульте сводится 12 дорожек многоканальника и задействовано, соответственно, 12 линеек пульта. Примем для простоты и наглядности, что на дорожках магнитной ленты записан стационарный, т. е. с постоянным уровнем, синусоидальный тест-сигнал 1кГц с полным уровнем модуляции (100%). Проделаем также стандартную процедуру выравнивания входной чувствительности (Unity Gain) - для пультов с логарифмической шкалой в фейдерах линеек поставим сами фейдеры в положение с отметкой 0db и, вращая регулятор чувствительности входа линейки (в разных моделях обозначается по-разному - GAIN, TRIMmer, SENSitivity LEVel), добъемся, чтобы показания канального индикатора уровня тоже были равны 0db в каждой линейке. Условно примем также, что при одновременном присутствии сигнала с некоторым фиксированным уровнем Ndb во всех 12 линейках выходной уровень суммы в мастер-секции (т. е. финальный микс) при положении мастер-фейдера 0db также соответствует уровню 0db. Теперь снизим в каждой линейке уровень на 2db, т. е. (N-2)db. В результате общий уровень микса в мастер-секции должен снизиться на 2 х 12 = 24db. Это озачает, что отношение сигнал/шум ухудшилось на эту же величину, так как для того, чтобы выходной уровень в мастер секции снова стал равен 0db, усиление в самой мастер-секции нужно поднять на те же 24db. Вместе с полезным сигналом на эту же величину пропорционально усиливается и совокупный, или интегральный шум. Этот шум, который складывается из собственных шумов линеек пульта, шума сумматора мастер-секции, а также собственного шума источников сигнала (шум сигнальных цепей плюс носитель - лента), далее регистрируется, т. е. записывается на носителе фонограммы со своими собственными шумами. Таким образом, формируется многослойная, наподобие слоеного пирога, шумовая структура, в которой стационарные некоррелированные шумы одних сигнальных цепей переплетены с модуляционными и коррелированными шумами других.

Поэтому результирующее маскирующее действие совокупного шума со сложной многослойной структурой на полезный сигнал в малосигнальной области зависит в большей степени от состава шумовых компонент и их спектральной плотности. В силу этого обстоятельства фонограммы с параметрически более высоким уровнем шума могут тем не менее звучать очень выразительно и прозрачно, если собственный совокупный шум фонограммы имеет невысокую спектральную плотность и представляет собой в основном стационарный некоррелированный шум. Такие фонограммы, как правило, легче поддаются оцифровке и при прочих равных условиях хорошо звучат даже при 16-разрядном квантовании со стандартной частотой 44,1 кГц.

Сказанное выше можно проиллюстрировать следующим практическим примером. Допустим, имеется фонограмма на магнитной ленте, про которую известно, что она сделана на ламповом магнитофоне, электрический тракт которого обеспечивает отношение сигнал/шум -75 дБ. Если воспроизвести эту ленту на транзисторном магнитофоне с собственными шумами порядка -80 дБ, то кажущийся выигрыш в 5 дБ на деле может оказаться полным проигрышем, так как весь полезный сигнал, лежащий ниже уровня -80 дБ, может быть полностью замаскирован, "замазан" более плотной шумовой фактурой и поэтому при последующей оцифровке с такого магнитофона никакое высокоразрядное квантование не может исправить положение, а только его ухудшить по причинам, указанным выше.

В то же время если эту фонограмму воспроизвести с лампового магнитофона с такими же шумовыми характеристиками, то сигналы, лежащие ниже уровня -80 дБ, будут тем не менее различаться и хорошо слышны при последующем усилении, если в этом возникнет необходимость. Если при этом с такого магнитофона произвести оцифровку сигнала с высокоразрядным квантованием, например, 20 бит, то теоретический шумовой порог в этом случае составляет -120 дБ. Появляется динамический коридор в 40 дБ. В силу того, что исходный шумовой спектр невелик, а сам шум стационарный и некоррелированный, при условии высокой частоты дискретизации, например, 96 кГц, появляется возможность какую-то часть полезного остаточного сигнала "прочитать", не забивая его коррелированным шумом. Если собственный шум аналоговых цепей АЦП лежит ниже указанного порога -120 дБ хотя бы на 10 дБ, т. е. по уровню -130 дБ и ниже, то оцифровка может "состояться" и результирующее цифровое звучание будет практически не отличаться от оригинала и цифровой шум, т. е. шум квантования не будет сильно загромождать фонограмму. Такая фонограмма легче поддается последующему цифровому шумоподавлению, так как программа, которая производит "шумовычитание", берет за основу в фазе обучения паттерн стационарного некоррелированного шума и поэтому меньше "выедает" полезного сигнала из фонограммы.

Поэтому для получения сходного результата на транзисторном магнитофоне его тракт должен обеспечивать отношение сигнал/шум как минимум -130 дБ, если использовать параметры квантования, указанные выше. Если при этом увеличивать разрядность, скажем до 24 бит, то теоретический шумовой порог при этом опустится еще на 24 дБ и составит уже -144 дБ. При таких значениях будет происходить оцифровка не полезного сигнала, а собственных шумов магнитофона до уровня -130 дБ плюс собственные шумы аналоговых цепей АЦП. Для такого порога (-144 дБ) собственные шумы аналоговых цепей АЦП должны быть, если не ниже, то хотя бы такие же. А это невозможно по чисто практическим соображениям, так как для достижения таких шумовых параметров потребуется использовать криогенную технологию в силу тепловой природы шумов дискретных компонентов и в первую очередь резисторов, не принимая во внимание пульсации питающего напряжения (хотя теоретически можно организовать питание на чисто гальванических элементах).

НЕКОТОРЫЕ СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЦИФРОВЫХ И АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ

В первой части статьи был приведен пример взаимодействия аналогового источника сигнала (магнитофона) с АЦП (аналогово-цифровым преобразователем) с позиций анализа структуры шумов в двух средах. Но не только структурно-шумовыми критериями обусловлено различие этих устройств. Различие касается также и того, что передача частотного диапазона в аналоговой технике и цифровой существенно отличается как параметрически, так и по субъективному восприятию.

В первую очередь это относится к передаче высокочастотной части спектра звукового диапазона. В аналоговых устройствах высокочастотный край диапазона, как правило, бывает шире чем 20 кГц, и АЧХ (амплитудно-частотная характеристика) на высоких частотах имеет плавный спад. При этом частоты в этой области могут принимать любые произвольные значения, т. к. функция амлитуды от частоты является непрерывной.

Например, аналоговый магнитофон даже непрофессионального качества может записать синусоидальный тон с частотой, скажем, 20 кГц если не полным уровнем, то по уровню -20 дБ наверняка, в чем легко можно убедиться, подключив осциллограф и наблюдая форму волны записанного тона на экране прибора. Более того, частота 20 кГц не является барьером, выше которого никакие сигналы не могут быть записаны. Наоборот, типовой ход АЧХ магнитофона в высокочастотной области плавно спадает в зависимости от ширины зазора в головке записи/воспроизведения, скорости движения ленты, а также линейных размеров ферромагнитных частиц-конгломератов "магнитных носителей" - доменов. С повышением же скорости носителя (ленты) до 38 - 76 см/сек, как, например, в профессиональных магнитофонах, частотный диапазон сигналограммы может простираться вплоть до 30 - 50 кГц.