Что такое ЦАП и как он работает

ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь, англ. DAC) — это устройство, которое превращает поток чисел цифровой аудиозаписи в непрерывный аналоговый сигнал для усилителя и акустики. Такой преобразователь есть в каждом смартфоне, телевизоре и ноутбуке — вопрос лишь в качестве реализации. Ниже — база цифрового звука: как волна кодируется числами, что означают «16 бит / 44,1 кГц», из каких этапов состоит обратное преобразование и от чего на деле зависит звучание ЦАП.

Эта статья — отправная точка для двух смежных материалов: разбора архитектур преобразования и практического гида по выбору аппарата. Здесь мы сознательно остаёмся на уровне принципов, которые не устаревают вместе с модельными рядами.

Что такое ЦАП и где он находится

ЦАП — это микросхема или отдельный компонент, восстанавливающий из последовательности цифровых отсчётов исходную звуковую волну в виде электрического напряжения. Звук в природе аналоговый: колебания давления воздуха непрерывны и во времени, и по амплитуде. Цифровая запись хранит вместо волны длинный ряд чисел, и чтобы динамики снова получили ток нужной формы, эти числа необходимо перевести обратно в напряжение. Именно эту работу выполняет цифро-аналоговый преобразователь — последняя цифровая ступень любого тракта воспроизведения. Всё, что происходит после него, относится уже к аналоговой части системы: предусилитель, усилитель мощности, акустика. Обратную задачу — измерение аналоговой волны и запись её числами — решает на студийной стороне АЦП, аналого-цифровой преобразователь; вместе две ступени образуют полный цифровой тракт от микрофона до колонок. Для слушателя важна именно вторая половина пути: как бы аккуратно ни была сделана запись, финальное превращение чисел в напряжение происходит у него дома, и ошибки этого этапа уже ничем не компенсируются.

Встроенные ЦАП окружают нас повсюду: аудиокодек на плате смартфона и ноутбука, микросхема в телевизоре, декодер в AV-ресивере, преобразователь внутри CD-проигрывателя, сетевого проигрывателя и даже беспроводных наушников — там ЦАП работает после приёма радиосигнала. Отдельный компонентный аппарат выполняет ту же функцию, вынесенную в собственный корпус: с независимым питанием, качественным тактированием и полноценным аналоговым каскадом.

Наличие преобразователя ничего не говорит о его классе. Разница между дежурным кодеком за доллар и серьёзной инженерной разработкой велика — но чтобы понять, где она возникает, сначала нужно разобраться, как звук вообще становится числами.

Как звук становится числами: дискретизация и разрядность

Импульсно-кодовая модуляция (PCM) — это способ записи звука, при котором амплитуда сигнала измеряется через строго равные промежутки времени, а каждое измерение сохраняется числом. Два параметра описывают такой поток полностью: частота дискретизации — сколько измерений делается в секунду, и разрядность — сколько бит отводится на каждое измерение.

Сколько измерений достаточно, отвечает теорема отсчётов, доказанная Владимиром Котельниковым (Vladimir Kotelnikov) в 1933 году и известная на Западе как теорема Найквиста — Шеннона: чтобы точно восстановить сигнал с верхней граничной частотой F, дискретизация должна идти быстрее, чем 2F. Слух человека охватывает диапазон примерно от 20 Гц до 20 кГц, поэтому нижний предел для музыки — чуть больше 40 кГц. Половину частоты дискретизации называют частотой Найквиста: для CD это 22,05 кГц — всё, что выше, в записи существовать не может.

Точное значение 44,1 кГц пришло из видеотехники. В конце 1970-х жёстких дисков нужной ёмкости ещё не существовало, и цифровой звук записывали на видеомагнитофоны через PCM-адаптеры — первым серийным стал Sony PCM-1600 1979 года. Три 16-битных отсчёта укладывались в каждую строку видеосигнала, и для стандарта PAL арифметика «294 строки × 50 полей × 3 отсчёта» давала ровно 44 100 отсчётов в секунду. Эту частоту унаследовал стандарт Red Book, подписанный Sony и Philips в 1980 году, а вместе с ним — практически весь каталог записанной музыки.

Разрядность определяет точность каждого измерения. 16 бит — это 65 536 уровней амплитуды и около 96 дБ динамического диапазона: каждый бит добавляет примерно 6 дБ. 24 бита дают 16,7 миллиона уровней и теоретические 144 дБ, хотя на практике аналоговая часть даже флагманских чипов ESS и AKM ограничивает результат величинами порядка 130–140 дБ по данным их спецификаций. Ошибка округления при измерении порождает шум квантования; в студии его превращают в ровный, немузыкальный фон приёмом под названием дизеринг — добавкой микроскопической случайной составляющей.

Как ЦАП восстанавливает аналоговый сигнал

Внутри любого ЦАП сигнал проходит четыре этапа: приём и буферизация цифрового потока, цифровой фильтр с передискретизацией, собственно ступень преобразования и аналоговый фильтр нижних частот с выходным каскадом. Первый этап отвечает за то, чтобы отсчёты выстроились в ровную временную сетку независимо от того, каким путём они пришли — по USB, по S/PDIF или из сетевого буфера. Дальше начинается математика восстановления.

Между отсчётами значений сигнала нет, и при «сшивании» волны в спектре неизбежно возникают зеркальные копии полезного сигнала выше частоты Найквиста. Их обязан срезать фильтр — иначе ультразвуковой мусор уйдёт в усилитель. Резать аналоговой цепью сразу за 20 кГц при дискретизации 44,1 кГц означает строить очень крутой фильтр, который портит фазу уже в слышимой полосе.

Поэтому почти все современные ЦАП сначала повышают частоту дискретизации в разы — это и есть передискретизация (oversampling): после неё аналоговому фильтру достаточно пологого среза далеко за пределами слышимого. Приём применили ещё в первом европейском CD-проигрывателе Philips CD100, выпущенном осенью 1982 года: пара 14-битных микросхем TDA1540 с 4-кратной передискретизацией и формированием шума давала полноценный 16-битный результат, ступень преобразования работала на 176,4 кГц, и на выходе хватало мягкого аналогового фильтра — историю этого решения подробно разбирал журнал Hi-Fi News.

Сама ступень преобразования реализуется по-разному: дельта-сигма-модуляция доминирует в серийных чипах, резистивные матрицы R2R переводят биты в ток напрямую, философия NOS отказывается от передискретизации вовсе, а производители референсного уровня строят собственные схемы на FPGA. Компромиссы всех четырёх подходов мы разобрали в отдельном материале — «ЦАП в деталях: дельта-сигма, R2R и философия NOS».

PCM, DSD и контейнеры: краткая карта форматов

PCM — рабочая лошадка цифрового звука: на нём построены CD (16 бит / 44,1 кГц) и hi-res-записи (24 бита / 96–192 кГц и выше). Файлы WAV и AIFF хранят PCM-поток как есть; FLAC и ALAC сжимают его без потерь, и после распаковки ЦАП получает в точности исходные отсчёты. MP3 и AAC устроены иначе — это сжатие с потерями: кодек выбрасывает часть информации ещё до преобразователя, и вернуть её не способен ни один аппарат.

DSD (Direct Stream Digital) — однобитный формат с очень высокой частотой дискретизации: базовый DSD64 работает на 2,8224 МГц, в 64 раза быстрее, чем 44,1 кГц. Sony и Philips разрабатывали его для архивирования фонотек, а в 1999 году сделали основой формата Super Audio CD; сегодня существуют и удвоенные варианты DSD128 и DSD256. Спор о преимуществах PCM и DSD идёт с момента запуска SACD, практический же итог прозаичен: поддержка DSD есть у большинства современных аппаратов, а объём доступных записей остаётся нишевым.

Что на самом деле влияет на звук ЦАП?

Итоговое звучание определяют схемотехника питания, тактовый генератор и аналоговый выходной каскад — модель чипа задаёт лишь потенциал. Один и тот же преобразователь ESS или AKM в разных корпусах звучит по-разному, поэтому маркировка микросхемы — слабый ориентир при сравнении аппаратов.

Джиттер — это случайные отклонения моментов срабатывания тактового генератора от равномерной сетки времени. Каждый отсчёт должен встать точно на своё место; дрожание фронтов размывает форму восстановленной волны, и на слух это выражается в потере фокусировки образов и микродинамики. Инженерные средства борьбы известны: буферизация входного потока, асинхронный режим USB, при котором темп задаёт генератор самого ЦАП, и прецизионные термостабилизированные генераторы классов TCXO и OCXO.

Качество исходного материала преобразователь изменить не может. Прозрачный аппарат честно покажет и недостатки MP3 с битрейтом 128 кбит/с — нередко даже отчётливее, чем дешёвый кодек. Отправной точкой для серьёзного прослушивания остаётся материал CD-качества и выше.

Насколько всё это слышно? Разница между двумя исправными современными ЦАП обычно меньше, чем вклад акустики, усилителя и комнаты. По вопросу hi-res против CD показателен мета-анализ Джошуа Райсса (Joshua Reiss) в Journal of the Audio Engineering Society за 2016 год: по 18 исследованиям и более чем 12 000 проб тренированные слушатели отличали форматы примерно в 60 % случаев. Преимущество существует, но оно невелико и требует подготовки слуха, качественного тракта и подходящих записей.

Опыт демонстраций в нашей комнате прослушивания это подтверждает: замену встроенного ЦАП ноутбука на отдельный настольный аппарат слышало большинство гостей без всякой подготовки, тогда как различие двух исправных внешних преобразователей одного класса требовало уже внимательного сравнения на знакомом материале.

Когда встроенного ЦАП достаточно, а когда нужен отдельный

Встроенного преобразователя достаточно, пока требования к тракту скромные: для фоновой музыки, подкастов и телевизора вопрос отдельного корпуса не стоит. Отдельный ЦАП оправдан, когда остальная цепь заметно выше классом — хорошие наушники у компьютера, стереосистема с сетевым источником, возрастной CD-проигрыватель с живым транспортом и цифровым выходом.

Причина преимущества отдельного корпуса — инженерная, о ней шла речь выше: собственный блок питания вместо шумной шины материнской платы, гальваническая развязка входов, свой тактовый генератор и полноценный аналоговый каскад. Форм-факторы, набор входов, чтение характеристик и ориентиры по моделям на каждом уровне бюджета мы собрали в гиде «Как выбрать ЦАП: USB, сетевой, настольный».

Материал подготовлен экспертами pult.by. Данные основаны на официальной технической документации производителей и нашем практическом опыте работы с техникой в шоуруме.

© pult.by. Все права защищены.
Копирование, распространение и использование материалов допускается только при размещении активной индексируемой гиперссылки на источник.