Частота дискретизации - это количество отсчетов цифрового сигнала, измеренных (прошедших) за секунду.
Качественное конвертирование (изменение) частоты дискретизации - это достаточно сложный и ресурсоемкий процесс. Особенно, если частоты входного и выходного сигнала не кратны друг другу (44.1 и 96 кГц). Далее мы рассмотрим особенности процесса конвертирования частоты дискретизации аудио, влияющие на качество звука.
О конвертировании DSD частоты дискретизации.
If you buy "AuI ConverteR PROduce-RD" (2023/12.x version) from 24 August 2023 to 24 October 2023, you will get free update to version 2024 (13.x) after its release.
Где используются конверторы частоты дискретизации
Конвертирование частоты дискретизации бывает: реального времени (на лету - преобразование сигнала аудиопотока) или конвертируют файлы.
В реальном времени изменяют частоты дискретизации при воспроизведении семплов, и микшировании нескольких аудиодорожек программы-секвенсора (импортированных из внешних файлов с разными частотами дискретизации).
В аудиотехнике в основном распространены 2 ряда частот дискретизации:
1) CD: 44 100, 88 200, 176 400 Гц;
2) DVD-аудио и DVD-видео: 48 000, 96 000, 192 000 Гц.
Приводить частоту дискретизации к нужному значению приходится не только музыкантам и профессиональным звукорежиссерам, но также в области домашнего аудио-видео. Например, при воспроизведении аудиофайлов медиапроигрыватель может незаметно для пользователя «подгонять» частоту дискретизации файла к частоте дискретизации, заданной в настройках звуковой карты.
Алгоритм конвертирования частоты дискретизации
Алгоритм изменения частоты дискретизации (как аппаратный, так и в программный) состоит из следующих ступеней:
1) Повышение частоты дискретизации до частоты, кратной частоте дискретизации выходного сигнала.
2) Фильтрация «паразитных» сигналов (называемых «артефактами»), находящихся выше половины выходной частоты дискретизации.
3) Понижение частоты дискретизации путем кратного прореживания (отбрасывания) лишних отсчетов.
Повышение частоты дискретизации производится путем вставки дополнительных («виртуальных» - сгенерированных интерполятором) отсчетов между отсчетами, существующими во входном цифровом сигнале.
Иногда применяется вставка в цифровой сигнал «виртуальных» отсчетов с нулевыми значениями. Это более быстрый метод с точки зрения вычислений. Но такой способ повышения частоты дискретизации добавляет значительное количество «артефактов» к имеющимся в интерполированном сигнале.
Для чего нужно повышать частоту дискретизации? Для того, чтобы выполнить пункт 3) . Поскольку прореживать отсчеты легче всего кратно - просто отбрасывая лишние.
Далее фильтруются «паразитные» сигналы (с частотами выше половины выходной частоты дискретизации). Иначе при отбрасывании «лишних» отсчетов они попадут в спектр полезного сигнала и исказят его (добавят посторонние призвуки).
Чем отличается hi-end конвертор частоты дискретизации аудио сигнала от конвертора среднего качества
Для внесения минимума искажений в сигнал при конвертации мы должны максимально точно интерполировать его. Точность интерполяции заключается в максимальной степени повторения дополнительными отсчетами интерполятора исходного аналогового сигнала. Следует помнить, что самый высококачественный интерполятор может достаточно точно восстановить исходный аналоговый сигнал. Но не со 100%-й точностью. Увы. При повышении частоты дискретизации обязательно появятся «паразитные» сигналы выше половины частоты дискретизации выходного сигнала.
При разработке hi-end конверторов частоты дискретизации уделяется особое внимание качеству фильтра низких частот. Если этот фильтр не подавит «артефакты», то при отбрасывании «лишних» отсчетов они попадут в полезный сигнал.
Для демонстрации качества фильтрации посмотрим на диаграмму спектра во времени. Вдоль горизонтальной оси идет время, вдоль вертикальной оси частота. Уровень сигнала показан цветом (белый – самый высокий, черный – самый низкий – слабее минус 150 дБ). На вход конвертора частоты дискретизации подается синусоида с нарастающей частотой (высотой тона).
Вот такой результат будет на выходе hi-end конвертора:
Мы видим только повторение входного сигнала, без дополнительно появляющихся частотных составляющих - «артефактов» (они не превышают минус 150 дБ).
Аудио конвертор частоты дискретизации хорошего качества даст следующую картинку:
Синим цветом показаны «артефакты» имеющие уровень порядка минус 105-110 дБ. Эти «артефакты» возникают, как при интерполяции, так и при недостаточном подавлении «паразитных» сигналов, расположенных выше половины выходной частоты дискретизации.
Посмотрим для сравнения спектральную диаграмму конвертора невысокого качества:
В этом случае артефакты достигают уровня порядка минус 50 … 60 дБ.
Фильтр должен максимально без искажений пропускать полезный аудио сигнал от 0 до 20000 Гц. Для этого неравномерность частотной характеристики (изменение уровня громкости сигнала на разных частотах при прохождении через фильтр) не должна превышать 1 … 2 дБ.
Чтобы максимально сохранить форму преобразовываемого аудио сигнала требуется обеспечить одинаковую временную задержку для всех его спектральных составляющих при прохождении через фильтр. Это обеспечивается, если фильтр обладает линейной фазово-частотной характеристикой. Линейной – это значит в виде прямой наклонной линии.
При такой форме фазовой характеристики все спектральные составляющие имеют одинаковую задержку по времени. Сигнал проходит через фильтр неискаженным. Это особенно важно для обеспечения качества звучания инструментов с короткой атакой (ударные, фортепиано и т.д.).
Кроме того, фильтры имеют такой недостаток, как «звон». Это «размазывание» во времени резко изменяющихся сигналов. На вход подается импульс. На выходе импульс превращается в растянутое по времени колебание. Оно слышится, как щелчок.
Чем более «крутой» спад уровню между частотными полосами пропускания и подавления фильтра, тем выше по уровню этот «звон».
Поэтому разработчику конвертора частоты дискретизации необходимо выбрать компромисс между крутизной спада амплитудно-частотной характеристики фильтра (что самым положительным образом влияет на подавление «артефактов») и уровнем звона. Очень тяжелый случай, когда конечным результатом преобразования является частота дискретизации 44,1 кГц. Между максимальной частотой полезного сигнала (20 кГц) и половиной частоты дискретизации (22,05 кГц) разница по частоте составляет всего-навсего 2,05 кГц при желательной степени подавления артефактов около 140 дБ!!!
Заключение
На качество преобразования частоты дискретизации прежде всего влияют:
- качество интерполяции;
- частота оверсемплинга;
- качество фильтрации перед снижением частоты дискретизации.
Для большинства современных записей используется разрядность отсчетов 24 бит. Это соответствует теоретическому уровню шумов квантования минус 144 дБ. Соответственно уровень всех артефактов преобразования не должен превышать минус 144 дБ. Таким образом «артефакты» потонут в шумах квантования. Нет особого смысла опускать уровень «артефактов» ниже шумов квантования.
Достоверность передачи сигнала при конвертировании обеспечивается линейностью фазовой и равномерностью частотной характеристики фильтра.
Программы конвертирования файлов класса hi-end используют, как правило, ресурсоемкие точные алгоритмы конвертации.