FELIETON: Zaawansowane technologie audio... prawdy i mity

Poniższy artykuł jest publikacją, która dotyka tematykę nowoczesnych technologii i trendów technologicznych w najwyższej jakości sprzęcie audio. Głównym powodem powstania tego artykułu jest próba zidentyfikowania najbardziej kontrowersyjnych obszarów tematycznych, a w szczególności obiegowych mitów dotyczących kluczowych technologii audio.

Większość kontrowersji dotyczących technologii audio ma naturalne źródło w dużej złożoności terminologii technicznej oraz słabym przystosowaniu obecnie stosowanych inżynierskich parametrów i metod pomiarowych do oceny jakości audio. Cechą wyróżniającą podejście w tym cyklu artykułów będzie połączenie zaawansowanej perspektywy technicznej z praktyczną perspektywą audiofila i efektami odsłuchowymi.

W pierwszym odcinku zajmiemy się mitem dotyczącym technologii DSP (Digital Signal Processing), który mówi że większa ilość i poziom zaawansowania technologii DSP jest pewną receptą na idealną jakość audio.

DSP a audiofilski dźwięk

DSP w audio to cały czas wielka niespełniona obietnica. Z jednej strony oczywiście nikt nie kwestionuje faktu, że DSP bez wątpienia daje znacznie większe możliwości kształtowania parametrów dźwięku niż tradycyjne technologie analogowe. A jednak często można spotkać mało entuzjastyczne opinie z odsłuchów, wskazujące że DSP nie stanowi gwarancji jednoznacznie lepszej jakości dźwięku.

Miałem okazję w domowych warunkach wyrobić sobie zdanie na temat zestawu jednej z wiodących marek oferujących zestaw audio DSP z półki cenowej około 100 tysięcy złotych. Nie tylko w mojej opinii charakter brzmienia tego systemu był z perspektywy audiofila kontrowersyjny. Z jednej strony w początkowym odsłuchu dźwięk wydawał się technicznie prawidłowy. Natomiast nasuwało się ogólne wrażenie, że zestaw grał  w sposób „nie-audiofilski”. To wrażenie zauważalnie się pogłębiało przy włączeniu korekcji pomieszczenia DRC. Najbardziej odczuwalne było wyszarzenie barw oraz ogólna „płaskość” dźwięku.

DRC (Digital Room Correction) - proces obróbki sygnału audio przy użuciu filtrów cyfrowych, którego celem jest złagodzenie niekorzystnych warunków akustyki pomieszczenia.

Oczywiście jednostkowa obserwacja nawet renomowanego sprzętu to za mało żeby budować śmiałe uogólnienia na temat rozbudowanego i zróżnicowanego zestawu narzędzi technologicznych i metod ich wykorzystania, jakim jest DSP. Natomiast co ciekawe znajduje to także potwierdzenie w cechach i efektach działania samych technologii audio DSP. Wymaga to jednakże zwrócenia uwagi na dość słabo rozpoznane, fundamentalne aspekty techniczne, które są obecnie prawie nieobecne w aktualnych dyskusjach na temat źródeł jakości dźwięku audio.

Potrzebne jest zupełnie inne spojrzenie na jakość audio

Okazuje się, że teoretycznie większa doskonałość parametrów, które daje DSP może mieć w praktycznym zastosowaniu do przetwarzania dźwięku bardzo niekorzystne efekty uboczne. Przykładem może być stosowanie liniowo-fazowych, symetrycznych filtrów FIR, których realizacja jest możliwa tylko w dziedzinie cyfrowej przy pomocy metod DSP. Filtry te posiadają bardzo atrakcyjne parametry jeśli chodzi o charakterystyki częstotliwościowe, natomiast cechują się tak zwaną pre-odpowiedzią.

W praktyce oznacza to, że w wyniku filtracji FIR pojawia się delikatne pre-echo, które powoduje że w naszym sprzęcie audio podczas odtwarzania pojawia się wyprzedzający ślad informacji dźwiękowej, która dopiero się pojawi w rzeczywistym materiale muzycznym. Jest to zjawisko, które nie występuje w analogowych, czyli naturalnych układach elektrycznych. Przykładowy wygląd sygnału filtru FIR został przedstawiony na rysunku poniżej.

Na osi Y jest reprezentowana jest amplituda sygnału w przykładowych jednostkach na potrzeby symulacji natomiast na osi X jest reprezentowana oś czasu wyrażona w kolejnych próbkach / samplach z częstotliwością 44 kHz.

Obszar po lewej stronie zaznaczony żółtym tłem to wspomniana powyżej pre-odpowiedź. Część wykresu zaznaczona na zielono to obszar podstawowego impulsu, który odpowiada momentowi w czasie, kiedy ucho w naturalnych warunkach usłyszałoby sygnał muzyczny. Na niebiesko został zaznaczony tzw. obszar post-odpowiedzi. Tutaj także występują zafalowania przebiegu sygnału, natomiast z dwóch powodów są one mniej istotne dla odbioru jakości dźwięku. Pierwszy z nich to fakt, że ucho ludzkie cechuje mechanizm maskowania, to jest słabszej słyszalności dźwięków następujących bezpośrednio po głównym impulsie (uderzeniu) dźwięku. Drugi powód to bardziej naturalny charakter fizyczny post-odpowiedzi. Filtry tradycyjnej zwrotnicy głośnikowej zbudowanej z cewek i kondensatorów, naturalnie występujących w układach elektrycznych, charakteryzują się właśnie takimi zafalowaniami po głównym impulsie oraz brakiem jakichkolwiek zafalowań przed pierwszym szczytem impulsu.

Podsumowując - każde filtrowanie sygnału czy to cyfrowe czy analogowe wnosi zafalowania w dziedzinie czasu. Czyli wszystko co się dzieje poza zielonym obszarem wnosi niepożądane zaburzenia struktury dźwięku. Często stosowane w DSP i przetwornikach cyfrowo-analogowych filtry FIR dodatkowo posiadają cechę pre-odpowiedzi, która ze względu na nienaturalny charakter zwykle ma szczególnie niekorzystny wpływ na odbiór jakości dźwięku z perspektywy audiofila.

Mniej znaczy lepiej ?

Warto w tym miejscu wspomnieć o jednym z głównych wyzwań w hi-fi audio polegającym na tym, że niezależnie jakie zastosujemy metody natkniemy się na naturalnie ograniczenia i konieczność wyboru jakiegoś kompromisu. Co ciekawe duża część bardzo ważnych, naturalnie wbudowanych barier wynikających z natury zjawisk fizycznych dotyczy wszystkich technologii bez wyjątku - zarówno analogowych, aktywnych jak i mitycznego DSP. Okazuje się więc, że także w kontekście DSP mniej znaczy lepiej, a najlepsze efekty są możliwe do uzyskania przy maksymalnym skróceniu, uproszczeniu i integracji toru audio.

Koncepcja najbardziej minimalistycznego możliwego toru audio

Najbardziej zaawansowaną, a jednocześnie możliwie minimalistyczną koncepcją toru audio jest aktywna kolumna głośnikowa, gdzie wzmacniacz praktycznie „wisi” na zaciskach głośników.  Takie rozwiązanie eliminuje wpływ i nieuchronne straty związane z kablami. Dodatkowo jeżeli w roli wzmacniacza zastosujemy wysokiej klasy wzmacniacz w cyfrowej klasie D mamy unikalną możliwość wyeliminowania tradycyjnego DAC-a i realizację maksymalnie zintegrowanego i najbardziej minimalistycznego możliwego toru audio.

Na rysunku z powyżej została przedstawiona architektura aktywnej kolumny głośnikowej, która realizuje koncepcję najbardziej minimalistycznego tor audio z wykorzystaniem innowacyjnych technologii i DSP. Istotnym elementem tej architektury jest zastosowanie jitter-killera zlokalizowanego bezpośrednio przy wzmacniaczu cyfrowym, co pozwala na zachowanie najwyższych parametrów zegara sterującego konwersją cyfrowo-analogową wewnątrz aktywnej kolumny. W ramach pojedynczego kroku obróbki DSP w torze audio następuje zintegrowana realizacja funkcji głośnikowej zwrotnicy liniowo-fazowej oraz sterowania konwersją cyfrowo-analogową, która fizycznie zachodzi we wzmacniaczu cyfrowym. 

Paradoksalnie taki zestaw audio umiejętnie zaprojektowany jest bardziej… analogowy niż wszystkie możliwe tradycyjne tory audio, w których w roli źródła występuje odtwarzacz CD. W tej koncepcji możliwa jest taka implementacja toru audio i metod DSP, która gwarantuje mniejszy poziom ingerencji w sygnał niż w samym odtwarzaczu CD, nie wspominając o dalszych elementach typowego analogowego toru, którym także daleko jest do przezroczystości. Dokładniejsze omówienie elementów i cech takiej zaawansowanej koncepcji ukaże się w jednym z kolejnych odcinków cyklu Zaawansowane technologie audio - prawdy i mity.

Zapraszamy do dyskusji na szeroko rozumiany temat DSP i nowoczesnych technologii cyfrowych w audio, w szczególności podzielenie się własnymi doświadczeniami, obserwacjami lub opiniami. Autor artykułu zadeklarował chęć odpowiedzi na dodatkowe pytania dotyczące DSP i technologii cyfrowych w audio.