Vítejte v holubníku

Tento článek vznikl jako reakce na diskuzi, která se strhla na www.lopuch.cz - klub High End. Původně měl být rozšířen o doplňky a názory dalších přispěvatelů, ale protože každý má své práce dost, čas kvačí, a nic není zastaralejší než včerejší aktualizace webových stránek je předkládán zatím tento "polotovar" v původní podobě. Jakékoli reakce a doplnění jsou samozřejmě vítány...

...no a protože internet je živý organismus, je již doplněn i o postřehy a upřesnění, která laskavě vložil Martin, na Lopuchu se vyskytující pod nickem A.D.A. - DÍKY!
(větší externí příspěvky a doplňky jsou vloženy mezi značky " # "
Ne menší dík pak patří Petrovi, který byl tak laskav a umožnil publikování na svých stránkách.
*****

Poněkud mne potěšil (ale i vyděsil) vznik bouřlivé debaty, která se strhla, a ke vzniku které jsem asi nemalou měrou přispěl. Celé téma "High End" je velmi široké a cílem našeho snažení by mělo být hlavně vytvoření příjemné atmosféry umocňující estetický a kulturní zážitek. K tomu přispěje krásný vzhled ušlechtilého dřeva reproboxů, nebo tlumené světlo žhnoucích elektronek možná větší měrou, než sebevíce dokonalý signál. Nemyslím si tedy, že lze vyřešit celou problematiku jednou provždy a nechchci ani nikomu brát jeho názor, ale vyskytly se zde technické příspěvky, které (zvláště pak vytržené ze souvislostí) mohou být značně zavádějící. Také se nemohu zbavit dojmu, že se mnoho diskutujících věnuje nekončícímu odříkávání jakýchsi nesrozumitelných manter, popisujících ve výsledku něco, co nemohou exaktně doložit. Protože jsou v oboru audiotechniky dlouhodobě zakořeněny některé mýty a legendy, které jsou navíc za účelem zisku nadále přiživovány a rozvíjeny výrobci a prodejci našich miláčků, pokusil jsem se ve volných chvílích poskládat mnou, již v jednotlivostech popsanou, problematiku a shrnout vše do uceleného článku.
Má potřeba relativizovat význam některých tvrzení byla podmíněna hlavně snahou podchytit čistě technickou stránku věci, protože tato problematika je mi blízká. Snažil jsem se ji podat formou srozumitelnou i laikům, kteří nekriticky hltají články ze "Sterea" a podobných časopisů a nejsou schopni rozlišit užitečné příspěvky plné informací (kterých je zde jistě habaděj) od recenzí, které vlastně nejsou ničím jiným než skrytou reklamou firem, které dobře platí a jejichž výrobky se masově prodávají (jinak by nebylo o čem psát). Následující řádky by tedy po prostudování měly umožnit, aby si kdokoli, za použití prosté a vrozené (obvykle) logiky, mohl utvořit představu, zda to co je mu předkládáho, může mít vliv významu většího či menšího, kdy se jedná o jasný problém a kdy jen o snahu podsunouti mu pouze jakési "mazání všechny neduhy léčící - a, když už nepomůže, pak alespoň botky zalepí".
Celá problematika je rozdělena do tří částí, podle postupu zpracování signálu. Dnes mohou být některé funkční bloky sdružené v jednom int. obvodu, ale obecné technické principy zůstávají stále stejné:

• 1) Ještě než...získáme data, musíme je vyjmout z "konzervy", kde jsou uskladněna...
• 2) Digitální část nám upraví data pro převod zpět do analogové formy...
• 3) A nakonec Digitálně-analogový převodník nám tuto konverzi provede.

Ještě než...

...Tedy ještě než získáme data obsahující kýžený záznam, musíme je nejprve vyextrahovat z nějaké "konzervy". Pro konečný výsledek je jedno, jaký princip byl pro uložení záznamu použit, a je lhostejné na jakém médiu byl tento záznam uložen. Může to být CD (CD-R), pásek DAT, harddisk našeho počítače a třeba i disketa (ale na tu by se asi moc nevešlo, že). V běžné amatérské praxi se asi nesetkáme se záznamem v jiných formátech, jako je ADAT, jeho klony aj.Vyčíslit zde ale všechny používané by zabralo opravdu mnoho místa. Formát těchto dat, tedy to jak jsou "poskládána" a ošetřena, je určen tím kterým záznamovým médiem a my na tom nemůžeme zhola nic změnit. Dále se budeme věnovat hlavně záznamu na CD (CD-R), protože s ním budeme v praxi konfrontováni nejčastěji. Pro nás je důležité to, že v záznamu musí být (a tedy vždy je) obsažena informace pro analogovou hodnotu v každém kanálu (my budeme uvažovat běžně dva, tedy L + R), která je pravidelně obnovována s každou periodou vzorkovacího kmitočtu Fs a nahrazena hodnotou novou. Dále jsou do úplného korektního záznamu uloženy informace o čase, údaje pomocného rázu a tkzv. PQ kódy (nazývané "PQ" přesto, že těchto kanálů je vlastně 8 - tedy P÷V). Tyto datové značky jsou používány z důvodu doplnění záznamu o různé komerční údaje a poskytují informace o způsobu zpracování nahrávky (deemfáze, copy prohibit bit atd.). Je třeba vědět, že data na disku HDD, CD aj. nejsou seřazena v tom pořadí, jak jsou interpretována v některém z běžných datových formátů, a jak následně jdou do D/A převodníku. Kvůli lepší ochraně proti poškození (škrábanec na CD způsobí výpadek informačního toku) jsou rozdělena do bloků, různě zpřeházena a doplněna kontrolními součty (nadbytečná data), tato data slouží k bezchybnému obnovení správné informace v případě poškození menšího rozsahu. Celý tento algoritmus je (zvláště na CD, kde je záznam nejzranitelnější) aplikován hned na několika úrovních, takže tento řetězec nul a jedniček (velmi specifický pro ten.který způsob záznamu) nemá zhola nic podobného datovému přenosu, který je nadále zpracováván. # A.D.A.- Na tomto místě je vhodné připomenout, že záznam u Mini Disc-u, MP3 přístrojů a podobných sem vlastně nepatří, protože použitá ztrátová komprese odsouvá danou problematiku někam jinam - zde bychom se museli věnovat spíše způsobům kódování ATRAC, MP3 (a obdobám), vzhledem k tomu, že se nejedná o prostý záznam tvaru signálu (jeho obálky), ale o sofistikovanější záležitost (ztrátové kódování vlastností zdroje signálu). -#
Jestliže jsou ale data jednou přečtena korektně (t. zn., že obsahují jen malé - opravitelné chyby), všechny poruchy zmizí v následném přepočítání a ve vyrovnávací paměti. Pokud jsou závady signálu tak velké, že se nepodaří správně je přečíst, pak je narušen jejich datový obsah. Zde přicházejí na řadu opravné interpolační algoritmy a to může být v záznamu opravdu méně nebo více slyšet - dle rozsahu poškození signálu. Ale to je snad jasné.

Pro nás je ale zajímavý způsob, jakým se načítá záznam z kompaktního disku, který dnes patří mezi nejrozšířenější záznamová média. Popišme si to tedy blíže.

Na CD je záznam uložen v souvislé drážce (archimédova spirála) od středu ke kraji. Na začátku jsou v tkzv. TOC uloženy celkové údaje o CD (bližší - viz příslušná literatura), dále následuje vlastní (zvukový) záznam. Z původní specifikace (R-Book) vyplývá, že na CD obvyklého rozměru se vejde cca 74minut stereofonního záznamu. Použit je stereofonní záznam s Fs=44,1kHz s lineární (ne příliš fysiologicky vhodnou) 16ti-bitovou kvantizací. Pokud se vyskytují CD s delším záznamem, pak je to umožněno nedodržením této normy (zmenšením stoupání záznamové stopy), nebo alespoň využitím tolerancí na (za) doraz. Záznam "jedniček" a "nul" je tvořen pomocí výstupků a prohlubní (LANDy a PITy), které jsou čteny laserovým paprskem (v místě pitu dojde k "rozostření" čtecího paprsku). U vypalovaného CD-R je nad drážkou, která obsahuje jen "vodící stopu" doplněnou pomocným hodinovým signálem, záznam dodatečně vytvářen ve vrstvě speciálního barviva těsně sousedícího s odraznou plochou stopy. Záznamové "pity" se zde vytvářejí změnou odrazivosti tohoto (jinak čirého ) barviva pomocí ohřevu výkonnějším laserem. I nenahrané CD-R tedy obsahuje stopu (jakýsi prefabrikát) a dokovce i záznam (v TOC = údaje o disku). Produktem záznamu je CDčko ve výsledku kompatabilní s lisovaným, ale mající menší odrazivost. Na to jsou citlivé zvláště některé klasické CD mechaniky, a my bychom na to měli pamatovat a neztěžovat jim život používáním nekvalitních médií a podobně. Pro audioaplikace je, mimo toho, co již bylo řečeno výše, důležité, že "jedničky" a "nuly" (landy a pity) na CD nejsou "jedničky" a "nuly" záznamu, ale popisují stav, kdy došlo ke změně 1/0 - 0/1 (signál je tak doplněn o synchronizační hodinový kmitočet). Ale přesnějšímu rozboru těchto principů se opravdu věnuje specializovaná literatura, zde na to není prostor. Pro ilustraci jsou přiloženy obrázky, které jsou však notoricky známé.



      Pro mnohé však bude zajímavější princip, jakým je záznam z těchto "placek" načítán. Pro ilustraci je zobrazena část CD přehravače...



...Vidíme zde část CD - mechaniku se snímací hlavicí - která provádí čtení. Obrázek je zkrácen a upraven pro publikování, ale je na něm vše podstatné. Napravo je vyobrazena čtecí část hlavice (PICK-UP) s fotodiodami. Těch je vždy na snímací ploše více a čtení se účastní všechny. Podle úchylky paprsku a zkreslení "bodu" promítnutého na snimač se odvozuje informace pro opravné signály, jako je ostření a jiné zásahy korekčních obvodů čtecího mechanismu. Tyto zásahy jsou dvojího druhu - tedy dvojí velikosti. Menší korekce provádějí cívky umístěné přímo na čočce kolimátoru hlavice. Tyto zásahy jsou dostatečně rychlé, aby umožňily snímání čile se točícího, vrtícího a všelijak se zmítajícího CDčka s přesností o velikosti stopy - tedy jednotek mikronů. Větší úchylky jsou pak (pomaleji) ošetřeny motory posunu supportu na MECHANISMu. Celkový datový tok je řízen rychlostí rotace hlavní osy celého CD (SPINDLE). Soustava těchto pohonů je doplněna o další nesmysly jako pohon dvířek EJECT, příslušné konc. spinače a tak podobně, jak je naznačeno na schematu. Servosystémy obsluhující vše popsané jsou v zapojení tvořeny tím obvodem do kterého vstupují signály z fotodiod, výkonové OZ nalevo přímo budí ostřící cívky a roztáčejí motory. Abychom si mohli udělat představu jak náročné je řízení (hlavně vzhledem k rychlosti akce), uvedu zde, že hodnota proudu tekoucího do titěrných ostřících cívek dosahuje špičkově až jednotek ampér (!). O řízení celého tohoto komplikovaného šou se pak stará obvod CD-interface, kterým je řízen právě popsaný IC servosystému. Obvod interface je vlastně velmi výkonný jednoúčelový procesor, který nejen vše řídí, ale obstarává i složité výpočty naznačené v úvodu kapitoly. Upravená (a opravená) informace obsahuje ve svém toku nepravidelnosti velmi značné a je proto ukládána do relativně velké mezipaměti a odtud teprve - pokud možno plynule - přesouvána do dalších obvodů zpracovávajících signál. Až zde lze hovořit o jakémsi "digitálním audiu" - ovšem to může být ve velmi specifickém formátu.
Z právě popsaného je zřejmé, že načítání dat z CD a jeho časování, může (přímým způsobem) ovlivnit koncový datový formát zcela minimální měrou, pokud vůbec. Příčina je zřejmá z použitého principu. Netředa snad zdůrazňovat, že pouhá snaha polohovat například rotující motorek na zlomky úhlových vteřin v požadovaných časových úsecích řádu nanosekund (ale i pikosekund !!!) je prostě nesmyslná a bláhová. Kvalitně zpracovaná mechanika však přesto může ovlivnit výsledek podstatně, i když nepřímo, a to lepším načítáním signálu i z méně kvalitních médií. V případě dořešení konstrukce po mechanické strámce lze očekávat, že bezproblémové čtení méně impulzně zatěžuje napájecí zdroje a i to se může příznivě projevit. Dále následující obvody se ale mohou na výsledku projevit mnohem více a, pokud nebyl poškozen obsah, může být zde mnohé napraveno.

Přesto, že výše uvedené je (alespoň v odborných kruzích) v jednotlivostech samozřejmě jasné, přežívá zde řada mýtů a omylů vzniklých z komplexního nepochopení problému. Tyto legendy jsou pak dále přiživovány různými neseriózními firmami (i zvučných jmen), kterým "vyřešení neřešitelného" přináší vysoké zisky. V této etapě zpracování signálu nám jde ale hlavně o to, jak získat kompletní a pokud možno nepoškozená data pro zpracování v dalších obvodech.

Digitální část

Poté, co jsme přečetli zaznamenaná data se konečně dostáváme ke zpracování digitálního audia jako takového. Data můžeme obdržet z různých zdrojů. Mohou přicházet z obvodů popsaných v minulé kapitole (v CD přehravači). Obdobné je to např. i uvnitř počítače, kde k nám přicházejí po PCI sběrnici (poté co se přesunula z HDD po IDE nebo SCSI kabelu). Podobně se k nám mohou dostat z externího zařízení po (opto)kabelu v nějakém jiném fotmátu (S/P-DIF). Rozebírati to není vhodné na tomto místě, důležité však je, že nakonec stojí před branou dalšího typu obvodu, který nás zajímá. Tento obvod (přijímač, interface, kodek...) má vstupní obvody přizpůsobené pro ten-který zpracovávaný formát, ale obecně vzato opět obsahuje některé bloky, které pro vykonávanou funkci obsahovat musí. Příklad je na obrázku:



Je na něm blokové schema přijímače SPDIF (i AES/EBU a opto) signálů typu CS8412, který se stal určitým standartem. Vstup přijímá datový tok a stará se o synchronizaci a separaci v něm obsažených datových informací. Tato data již musí přicházet v určitém smyslu "učesaná", ale i zde záleží hlavně na tom, aby nedošlo ke ztrátě informace. Mimo vstupní (receiver) blok je zde ovládací port, který slouží k řízení obvodu. Dále vidíme interní modul, který se stará o separaci přídavných informací (do stat.stavových registrů) a hlavně slouží k napravení a ustálení dále postupujících signálů, které poté pokračují do bloku označeného jako "Audio Serial Port". Toto ustálení je velmi - VELMI podstatné pro kvalitu výsledného audiosignálu, protože se jím již může řídit přímo D/A převodník. Proto tato část obvodu obsahuje PLL která vstupní signál (podle kterého se musíme řídit máme-li být ±synchronní - a proto trvale funkční) upraví. Jako akumulátor procházejících dat slouří paměť typu FIFO. Tuto podstatnou záležitost probereme níže, ale zde je opět vhodné inzerovat obrázek, na kterém jsou uvedeny některé možnosti jak může digitální audioformát vypadat:



...uf - je toho moc, ale my si vybereme jen některý, např formát I2S, který je snad nejpoužívanější. Důležitý je fakt, který jsme si (snad) mohli uvědomit: I když to vypadá různě, informace, která je zde obsažena je vlastně vždy stejná. Máme zde především základní hodinový signál "BCLK", se kterým je vše sesynchronizováno, a který řídí časování. Dále zde je signál obsahující (m.j.) audiodata "SDATA", která určují okamžitou velikost napětí na výstupu převodníku, tedy malý kousíček zvuku. No a nakonec je zde "L/R-CLK" - tedy signál určující, který kanál je právě řízen. Mimo tyto signály bývají vyvedeny i interní hodiny "MasterCLK" na mnohem vyšším kmitočtu, který je násobkem (128;256;512×...)Fs a jsou využívány jako synchronizační signál pro řízení operací prováděných v D/A převodníku a příp. pomocných obvodech.

O pár řádků výše jsme si řekli, že velmi záleží na přesnosti a plynulosti časování. Protože tímto signálem může již být řízen přímo D/A převodník je nanejvýš důležité, aby data postupovala z audioportu ustáleně a neobsahovala nepravidelnosti, které by se po převodu na analogovou stranu projevily jako určité kolísání, nebo roztřesení signálu, tedy jako tolik diskutovaný jitter. Tyto poruchy toku dat mohou působit velmi rušivě a, i když je jejich eliminaci věnováno nemálo energie i prostředků, přesto se ne vždy setkáváme s uspokojivým výsledkem. Jitter může být zapříčiněn mnoha vlivy. Od kolísání napájecíh napětí a poruchy šířící se přístrojem po signálových i napájecích vodičích, přes rušení postupující indukcí skrz šasi i prostor až po vlivy mechanického chvění na součástky generující signál. Tyto vady mohou mít pravidelný i náhodný charakter podle svého vzniku a ve výsledném galimatyáši již příčinu ani odhalit nelze. Problém se dá řešit jediným způsobem, a to již při konstrukci, důsledným oddělením napájecích napětí v jednotlivých sekcích přístroje, co nejstabilnější PLL smyčkou generující hodiny výsledného signálu atd. V praxi se setkáváme s konstrukcemi řešenými pomocí obvodů vysoké integrace i s obvody prakticky z diskrétních součástek. Lze těžko rozhodnout, které řešení je lepší. Do důsledku se problém nikdy vyřešit nepodařilo, a ani se ho nikdy vyřešit nepodaří - prostě z primárního principu: "Odchylka je podmínkou regulace". Jsou jen horší a lepší řešení, a důležité pro nás je, že podstata vzniku problému i principy jeho odstranění jsou známy. Je jen na konstruktérovi zařízení, jak problém zvládne. Potom vše může potlačit pod mez postřehnutelnosti, nejlépe pak pod úroveň rozlišitelnosti primárního záznamu. Opravdu tristní a nepochopitelnou (technicky) skutečností však zůstává, že se vyskytují i jednoduchá zařízení (CD přehravače) mající veškeré časování zavěšeno na jediný neošetřený oscilátor, kterým se řídí VŠE. Těmito přístroji pak jakékoli poruchy projdou jako nůž máslem a nám nezbývá, než nějak vhodně zajistit jejich ekologickou recyklaci, protože jinak bude veškerá naše snaha zajistit si kvalitní poslech završena pouze žalem a bolestí. Nad existencí těchto "perel Hi-Fi techniky" můžeme propadat zoufalství tím spíše, že celý problém by vyřešily obvodové změny prodražující přístroj maximálně o desítky korun. Na milost se dají vzít takovéto šmejdy pouze v případě, že jsou vybaveny digitálním výstupem. Pak ovšem kvalitní převodník odstraní problémy beze zbytku. (Pokud není někomu jasné proč, nechť se vrátí na začátek kapitoly.)

To jsme se však dostali již k převodu signálu na analogovou stranu a to řeší...

Digitálně-analogový převodník:

jak dokáže (neb nezřídka i nedokáže) vlastnosti těchto obvodů využít. Připomeňme si, co máme k dispozici pro řízení DAC (formát I2S):



Jak již bylo řečeno, tyto signály musíme do DAC dodávat s co nejmenším možným fázovým chvěním - jitterem. Nepravidelnosti v signálu mohou dle poslechových testů, degradovat výsledek naprosto nepředvídatelným způsobem přesto, že datový tok (tedy informační obsah) nebyl žádným způsobem narušen chybami. Ne menší pozornost se musí věnovat ošetření napájecího napětí, které může obsahovat impulzní rušení z digitální části a i od příp. mechanických obvodů a jehož dokonalá filtrace může být pro jeho agresivnost velmi zapeklitým problémem. Signály je vhodné ošetřit i proti vzniku rušení proudovými nárazy přes logické vstupy (Glitch), protože i tyto dokáží se vnitřní strukturou čipu řádně zacvičit. To bychom však již zacházeli do detailů, na které zde není místo. Podstatné však je, že pokud není tato část systému ošetřena naprosto dokonale, pak již není žádný způsob jak tyto nedostatky napravit.

Na dalších malůvkách je pro ilustraci zobrazen signál na výstupu postižený neodstraněným jitterem ("rozechvění" průběhu signálové křivky) a signál poškozený výpadky digitální informace, kdy zapůsobily opravné mechanismy. (U č.1 je "oprava" starého-"hloupějšího" typu, tedy vlastně jen obvod Sample&Hold, u č.2 je provedena aproximace průběhu, což v případě a)-poškození menšího rozsahu- nemusí být tak strašné jako u poruch větších -b). ) Celý problém je komplikován tím, že reálný hudební signál má mnohem složitější rozvoj a tedy se poruchy a jitter projeví více zničujícím způsobem než u naší vzorové sinusovky.



Dále je uvedeno blokové schema vlastního DAC. Jedná se o popisované nejjednodošší zapojení v pouzdře s osmi nožičkami, ale obsahující vše co potřebujeme (4330):



Do obvodu vstupují řídicí signály a (protože obvod obsahuje i interní obvody převzorkování) je využíván i Master CLK na vyšším kmitočtu. Za obvody přijímající signál a dekódující povely pro pomocné funkce (deemfáze) jsou systémy provádějící převzorkování. Za nimi následují D/S modulátory a vlastní D/A převod (opřený o vnitřní napěťovou referenci). Následuje jednoduchá filtrace signálu, který zde (stále je ještě složen z postupujících vzorků) obdrží spojitý charakter analogového průběhu. Sláva - zvuk (nebo pazvuk - dle předchozího) je již zde, šup s ním na světlo Boží...
Na výstupu DAC musí být zapojen výstupní filtr typu dolnofrekvenční propust, který odstraní zbytky po dig. převodu a obvykle slouží i jako výstupní buffer. Používají se zapojení různého druhu i složitosti řešená pomocí operačních zesilovačů, i zapojení z diskrétních součástek. Vyskytují se i filtry na bázi elektronek. Tato část může opět ovlivnit výsledný signál naprosto zásadním způsobem, ale my se již problému věnovat nebudeme, protože jsme opustili doménu digitálního audia.

Zde popřejeme signálům mnoho štěstí a budeme si přát, aby přežily další cestu k našim uším bez úhony, a aby jim klasická analogová technologie neublížila více než A/D a D/A převody, četné přesuny a konverze dat a jiná jim způsobovaná digitální příkoří. S vynaložením minimálně stejného množství energie se postaráme o to, abychom výslednému zvuku nezasadili ránu z milosti například pomocí vyschlého elektrolytu v zesilovači, nebo reprobednou zapojenou pomocí "tkaničky od bot".

S přáním mnoha úspěchů se loučí     Karel S. (mailto: karel.stoud@volny.cz)

Poznámka editora: Tento článek prošel typografickou úpravou