Для определения технических параметров цифровых процессоров существует много разнообразных методов, но ни один из них ничего не может сказать на о том, как процессор звучит. Тем не менее хорошие технические параметру указывают на высокий инженерный уровень разработки процессора и, скорее всего, на его хорошие звуковые характеристики.

Начнем с максимального уровня выходного сигнала цифрового процессора (я буду говорить "цифровой процессор", хотя то же самое относится и к CD-проигрывателям, поскольку метод измерения тот же самый). Стандартное действующее значение выходного аналогового напряжения составляет 2 В, но встречаются и значения от 1,75 В до 7,2 В. Выходной сигнал большинства CD-проигрывателей и процессоров лежит в интервале от 2,2 В до 3,5 В. Хочу заметить, что это значение является наибольшим действующим значением выходного напряжения проигрывателя, получаемого при воспроизведении синусоидального сигнала с частотой 1 кГц и амплитудой, соответствующей полное шкале ЦАП'а.

Знать значение выходного напряжения процессора очень полезно. Процессор с высоким выходным напряжением плохо подходит для предусшитеи, рассчитанного на подключение низковольтного источника сигнала. Конечно,

вы не перегрузите усилитель, — ведь его регулятор громкости всегда можно установить в соответствующее положение. Но большинство регуляторов громкости дают наибольший разбаланс каналов именно в нижней части своего рабочего диапазона. К тому же, установка в правильное положение регулятора громкости очень затруднена, если сочетаются источник с сигналом высокого уровня и предусилитель с высокой чувствительностью. Регулятор громкости требует при этом очень нежного обращения.

Это особенно справедливо для предварительных усилителей со ступенчатым переключением уровня вместо плавного регулирования. Высокий выходной сигнал является полезным свойством при подаче сигнала на пассивный регулятор уровня, но недостатком — в случае использования предварительного усилителя с линейным каскадом, обладающим высоким коэффициентом усиления.

Еще одним важным критерием при определении того, хорош ли конкретный процессор или CD-проигрыватель для работы с пассивным регулятором уровня, является выходное сопротивление. Если пассивный регулятор уровня включен между цифровым процессором и усилителем мощности, то бремя формирования сигнала, подаваемого в кабели и на усилитель мощности, ложится на выходной каскад цифрового процессора. Если процессор имеет высокое выходное сопротивление, то ухудшится динамика, а бас окажется вялым. Процессор с очень высоким выходным сопротивлением может даже начать ограничивать ток и срезать пики сигнала при подключении его к предварительному усилителю с низким входным сопротивлением. Наиболее высокие значения выходного сопротивления процессоров составляют порядка 2 кОм на частоте 20 кГц и 1,5 кОм на частоте 1 кГц. Столь высокое значение выходного сопротивления становится причиной того, что выходной каскад процессора начинает ограничивать сигнал при попытке нагрузить его сопротивлениями меньше 15 кОм.

Необходимо также учесть выходное сопротивление пассивного регулятора уровня. Оно изменяется в зависимости от подключенного резистора в ступенчатом регуляторе или положения движка потенциометра. Полное сопротивление источника, подключенного к усилителю мощности, определяется суммой внутреннего сопротивления источника сигнала и выходного сопротивления пассивного регулятора.

Выходные сопротивления цифровых процессоров могут быть от 1 Ом (и ниже) до 5,6 кОм (самое высокое значение, которое довелось мне измерить). В основном, если выходное сопротивление не превышает нескольких сот Ом, то процессор не должен иметь никаких проблем с подключением к пассивному регулятору уровня. Обычное значение этого сопротивления лежит в диапазоне от 50 до 500 Ом.

Вывод: Не подключайте усилитель мощности с низким входным сопротивлением (менее 20 кОм) к пассивному регулятору уровня и к цифровому процессору с высоким выходным сопротивлением (более 800 Ом) через длинный кабель с большой емкостью. Это не какие-то жесткие значения, а скорее ориентиры. В Приложении Б содержится подробный анализ последствий использования пассивного регулятора уровня и источников с высокими выходными сопротивлениями.

Обычно измеряют также частотную характеристику, которая свидетельствует не об общем тональном балансе процессора, а измеряется и включается в перечень технических данных ради полноты информации. Большинство процессоров на частоте 20 кГц дают спад в несколько десятых децибела. Это результат неравномерности амплитудно-частотной характеристики цифрового фильтра.

Более показательной, однако, представляется значение ошибки компенсации предыскажений CD-проигрывателя или процессора. Как было отмечено ранее, при записи на некоторых компакт-дисках вводят подъем высоких частот (это называют предыскажениями). В субкоде таких дисков имеется признак, по которому CD-проигрыватель включает свою схему частотной коррекции, предназначенную для компенсации предыскажений и восстановления горизонтальной частотной характеристики. Схемы частотной коррекции бывают неточными (из-за допустимых отклонений от номинальных значений сопротивления резистора и емкости конденсатора), из-за чего при декодировании проигрывателем дисков с предыскажениями возникает неравномерность частотной характеристики. Ошибка компенсации предыскажений не должна превышать ±0,1 дБ в пределах всего частотного диапазона. При воспроизведении дисков с предыскажениями она может вызвать нарушение тонального баланса (например, излишне сипящие высокие частоты). Ошибки частотной коррекции в 0,2 дБ в пределах полосы частот в одну октаву различимы на слух. Плохая и хорошая точность частотной коррекции показана на АЧХ рис. 8-25а и рис. 8-256 соответственно. Оба измерения были выполнены для цифровых процессоров, использующих аналоговую схему частотной коррекции. Процессоры, в которых частотная коррекция осуществляется в цифровой области, не имеют ошибок. Частотные искажения положительного знака, показанные на рис. 8-25, при воспроизведении компакт-дисков с предыскажениями сделают звучание процессора чрезмерно ярким.

Такие параметры как жжканальная помеха и разделение каналов (величина, обратная уровню межканальной помехи) показывают, насколько хорошо левый и правый каналы изолированы друг от друга. В идеальном случае, когда на цифровой процессор подается сигнал правого канала, этот сигнал не должен появляться в левом канале, и наоборот. Чем меньше взаимные помехи (т. е., чем лучше разделе ние каналов), тем выше качество звука. С возрастанием частоты разделение каналов многих процессоров (и другой аппаратуры) уменьшается из-за паразитной емкостной связи между каналами. Обычно CD-проигрыватели и цифровые процессоры имеют разделение каналов на частоте 1 кГц примерно 90 дБ. Она снижается до 70 дБ на 20 кГц. Несмотря на то, что между низким уровнем межканальных помех и шириной звуковой сцены нет никакой корреляции (хотя интуитивно кажется, что связь между ними существует), хорошее разделение каналов свидетельствует о высоком общем техническом уровне изделия. Различные характеристики (плохая и хорошая) межканальных помех показаны на рис. 8-26. При частоте 1 кГц (рис. 8-26а) плохой процессор имел значение разделения каналов 67 дБ. На рис. 8-266 показана аналогичная зависимость для другого процессора со значением разделения каналов 112 дБ на частоте 1 кГц.

Очень показательной проверкой способности процессора воссоздавать сигналы низкого уровня служит измерение частотного спектра выходного сигнала (спектральный анализ) при подаче на вход процессора цифрового кода синусоиды с частотой 1 кГц и с уровнем -90 дБ, к которой при кодировании был добавлен псевдослучайный шум низкого уровня (дифер). Спектр является графиком зависимости энергии сигнала от частоты. Пики графика, расположенные на частотах 60 Гц, 120 Гц, 180 Гц указывают на то, что в цепи звукового сигнала проникают помехи от источника питания. Спектральный анализ может также показать, насколько хорошо справляются с работой ЦАП'ы аппарата. Хорошо, если пик сигнала располагается на уровне -90 дБ по оси ординат, а линии левого и правого каналов совпадают. Это говорит о линейности ЦАП'ов и схожести характеристик каналов. График спектра также показывает уровень шума процессора и дает информацию о наличии какой-либо посторонней энергии в диапазоне звуковых частот. Рис. 8-27а и рис. 8-276 соответственно показывают плохой и хороший результат этого теста. На примере плохо работающего процессора мы можем увидеть, что звуковой сигнал содержит помехи источника питания с частотой 60 Гц и кратными частотами, ошибки линейности (сигнал на частоте 1 кГц имеет максимум с уровнем, отличающимся от -90 дБ), плохое совпадение спектров разных каналов (это указывает на несогласованность канальных ЦАП'ов) и более высокий общий уровень шума. Характеристику на рис. 8-276 можно считать образцовой.

Выполняются также аналогичные спектральные измерения в диапазоне частот до 200 кГц, но при подаче на процессор "цифровой тишины" (все разряды кода — нули). Этот тест может выявить наличие "грязи" в диапазоне звуковых частот или выше, и такие погрешности ЦАП'ов как, например, паразитные периодические помехи (на графике они в виде пиков). В идеальном случае график должен быть плавной линией, поднимающейся по мере роста частоты, без каких-либо пиков на частотах, кратных частоте питающей сети, и без острых максимумов в диапазоне звуковых частот.

Эффект операции формирования шума в однобитных преобразователях также можно видеть по результатам спектральных измерений. Как уже говорилось ранее в этой главе, формирование шума — это способ переноса его из диапазона звуковых частот в ультразвуковой диапазон. На рис. 8-28 показаны последствия формирования шума, выявленные при помощи широкополосного спектрального анализа (в 1/3-октавных полосах): уровень шума резко возрастает на частотах выше 10 кГц. Мы также можем увидеть несколько максимумов на линии графика левого канала (сплошная линия) на частотах 18 кГц и 25 кГц, что, видимо, свидетельствует о погрешностях ЦАП'а.

Низкоуровневую линейность совсем недавно начали усиленно рекламировать как самый показательный критерий качества работы цифровых процессоров. Хотя получение хорошей линейности и является важнейшей инженерной задачей, она еще не гарантирует вам хорошего звучания.

Понять сущность линейности несложно: она показывает, насколько уровень аналогового выходного сигнала процессора соответствует уровню цифрового входного сигнала. Если мы, например, подадим цифровой код сигнала с уровнем -88 дБ FS (Full Scale — полная шкала; здесь за 0 дБ принимается уровень сигнала, соответствующего конечной точке шкалы ЦАП'а), то выходной аналоговый уровень измерительного сигнала должен составить также ровно -88 дБ. Любое различие между значениями цифрового входного уровня и аналогового выходного уровня считается ошибкой линейности. Ошибки линейности свойственны всем ЦАП'ам. Их компенсируют во многих процессорах при помощи подстроенного потенциометра MSB (Most Significant Bit — старший разряд), предусмотренного при изготовлении.

Ошибку линейности выражают как разницу в децибелах между цифровым входным уровнем и аналоговым выходным уровнем при определенных значениях цифрового уровня. Например, можно сказать, что некоторый преобразователь имеет положительную ошибку 3 дБ при значении кода -90 дБ FS. Это значит, что когда на процессор подается цифровой код сигнала с уровнем -90 дБ FS, аналоговый выходной сигнал процессора составляет -87 дБ, или на 3 дБ выше входного цифрового уровня. Следует заметить, что понятие цифровой входной уровень относится к уровням сигнала, представленным сочетанием единиц и нулей в двоичном коде, а не к входным напряжениям на цифровом входе процессора. Они могут иметь только одно из двух значений, соответствующих двоичным нулю и единице.

На рис. 8.29 показаны результаты измерений при посредственной и отличной линейности. Измерения для очень хорошего процессора дают ровную, словно по линейке проведенную линию, без отклонений вверх или вниз от нулевого деления. Результат измерения линейности на рис. 8-296 хорошо соответствует этому идеальному варианту. Измерения линейности, результаты которых приведены на рис. 8-29а, свидетельствуют о наличии отрицательной ошибки 2,6 дБ в правом канале (пунктирная линия) и отрицательную ошибку 4 дБ в левом канале (сплошная линия) при уровне сигнала -90 дБ.

Если характеристика линейности опускается ниже нулевого деления, это означает отрицательную ошибку линейности. Если же она поднимается выше нулевого деления, это указывает на положительную ошибку линейности (у аналогового выходного сигнала более высокий уровень, чем необходимо). Значения цифрового входного уровня обозначены на горизонтальной координатной оси, причем самый высокий уровень соответствует ее правой части. Некоторые процессоры с отличной низкоуровневой линейностью создают иллюзию положительной ошибки на очень низких уровнях сигналов (-115 дБ). В действительности, это выходной шум ЦАП'а. Практически достижимый нижний предел измерения линейности лежит где-то около -112 дБ FS (в мало-шумящих процессорах). Линейность задается микросхемой ЦАП'а, расположенной внутри процессора.

Недавно разработанный тест цифрового процессора, называемый "модуляцией шума", исследует то, как изменяется или модулируется минимальный уровень шума цифрового процессора при изменении входного уровня. Изменяется не только уровень шума, но и его спектр.

При выполнении теста шумовой модуляции на вход процессора подается код синусоидального сигнала с частотой 41 Гц и уровнем -60 дБ FS. Выходной сигнал процессора пропускают через фильтр верхних частот, чтобы подавить тестовый сигнал, и измеряют частотный спектр оставшегося шума. Каждое измерение выполняется десятикратно, чтобы получить усредненный результат и построить график. Измерения повторяют еще на четырех уровнях (-70 дБ, -80 дБ, -90 дБ, -100 дБ) и все спектральные характеристики располагают на одном графике. Это облегчает сравнение уровней шума и формы его спектра при различных входных уровнях.

В идеальном процессоре пять спектральных характеристик должны совпасть, доказывая, что уровень шума и его спектральный состав не зависят от уровня сигнала. Однако все процессоры демонстрируют некоторое различие между отдельными характеристиками. Чем ближе отдельные линии друг к другу, тем лучше. Если одна линия пересекает другую, это свидетельствует об изменении спектра шума. Количественное выражение этого изменения можно определить, находя разницу между линиями по вертикали. Примеры плохой и хорошей характеристик модуляции шума показаны на рис. 8-30а и 8-306.

Еще одна проверка — выполненный с помощью БПФ (быстрого преобразования Фурье) спектральный анализ выходного сигнала процессора при декодировании суммы синусоидальных сигналов с частотами 19 и 20 кГц. Суммарный их уровень должен соответствовать полной шкале ЦАП'а. Эта проверка выявляет составляющие взаимной модуляции, например, тон с разностной частотой 1 кГц (20 кГц минус 19 кГц) и продукты взаимодействия между частотой дискретизации (44,1 кГц) и измеряемыми сигналами.

Как и в случае рассмотренного ранее спектра при уровне сигнала -90 дБ, здесь строится график зависимости энергии сигнала от частоты. Но делается это немного по-другому. При спектральном анализе на основе БПФ берутся отсчеты выходного сигнала процессора во временной области, и по ним вычисляется быстрое преобразование Фурье, дающее представление сигнала в частотной области.

Результаты этих измерений показаны на рис. 8-31. Заметьте, что чем больше острых пиков (рис. 8-31а), тем хуже параметр коэффициента нелинейных искажений взаимной модуляции. В идеальном случае, не должно быть никаких острых пиков над уровнем шума. На рис. 8-316 показана образцовая характеристика для этого теста. На графике видна разностная составляющая с частотой 1 кГц, но других продуктов взаимной модуляции почти нет.

Процессоры хуже преобразовывают в аналоговую форму сигналы очень низкого уровня. Один из способов проверки работы ЦАП'а с небольшими сигналами заключается в изучении формы сигнала его аналогового выхода при воспроизведении синусоиды с уровнем -90 дБ и частотой 1 кГц без добавления псевдослучайного шума. Этот тестовый сигнал создает три уровня квантования: 0, +1 и -1. Полуволны выходного сигнала должны быть равными по амплитуде; это означает, что сигнал симметричен относительно нуля. Воспроизведение этого сигнала с невысоким качеством показано на рис. 8-32а, а воспроизведение с высоким качеством — на рис. 8-326. Обратите внимание на отсутствие шума на рис. 8-326 и четкую выраженность трех ступеней квантования. На рис. 8-32а, наоборот, видно так много шума, что с большим трудом удается определить форму сигнала.

Воспроизведение процессором полноуровневого прямоугольного сигнала с частотой 1 кГц (не показан) характеризует его поведение во временной области. Большинство измерений показывают наличие выбросов и колебательности (звона), характерных для цифровых фильтров, используемых в большинстве процессоров и CD-проигрывателей. Цифровой фильтр определяет форму сигнала, иными словами, временные искажения возникают в цифровом фильтре. Некоторые цифровые процессоры с нестандартными фильтрами на основе DSP не страдают от этого типа искажений.

Следует измерить и записать значения постоянного напряжения на аналоговых выходах цифрового процессора. Чем они ниже, тем лучше. Постоянное напряжение может вызвать в системе громкий щелчок при подключении процессора селектором входов. Если и предварительный усилитель, и усилитель мощности построены по схеме с непосредственными связями (нет разделительных конденсаторов в сигнальном тракте) и не используют обратную связь по постоянному току, то постоянный потенциал с выхода процессора будет усилен и появится на клеммах громкоговорителей, что создаст для них не очень хороший

режим работы. По этой причине желательно, чтобы значения постоянного напряжения были низкими, скажем, менее 20 мВ.

В статьях о цифровой аппаратуре часто пишут, что процессор является инвертирующим или не инвертирующим. Аналоговый выходной сигнал не инвертирующего процессора будет иметь ту же абсолютную полярность, что и цифровые данные, воспроизводимые с CD. Большинство процессоров не инвертируют полярность сигнала, но если какие-то процессоры и инвертируют его, то едва ли стоит обращать на это внимание. Если неизвестна абсолютная полярность записи и всей остальной системы, то с вероятностью 50% результирующая абсолютная полярность будет неправильной. Знать, что процессор инвертирует абсолютную полярность, полезно при сравнении процессоров: все процессоры во время прослушивания должны обеспечивать одинаковую полярность, иначе результаты сравнения будут неправильными.

Измерить джиттер тактовых импульсов цифрового процессора (неточность очень важного сигнала синхронизации) впервые стало возможно в 1992 г. при помощи инструмента под названием "LIM Detector", разработанного Эдом Мейт-нером из фирмы "Museatex". LIM расшифровывается как Logic Induced Modulation (модуляция, наведенная логикой). Разработчики раньше могли лишь видеть джиттер тактовых импульсов. LIM стал первым инструментальным средством его анализа, доступным в продаже. При использовании LIM-детектора совместно с БПФ-спектроанализатором и среднеквадратичным вольтметром, обеспечивается определение общего среднеквадратичного уровня джиттера цифрового процессора (в пределах заданного диапазона частот) и его частотного спектра.

Для того, чтобы воспользоваться LIM-детектором, необходимо найти вывод ЦАП'а, на который подаются тактовые импульсы, отмечающие момент подачи слов кода. Их необходимо подать через измерительный кабель со щупом на вход LIM-детектора. Выходной сигнал прибора — это джиттерный компонент тактовых импульсов. Прибор можно использовать в широком диапазоне тактовых частот. Выходной сигнал детектора подается на вход БПФ-спектроанализатора, на дисплее которого отображается спектр джиттера. Там же отображается среднеквадратичное значение анализируемого напряжения, которое можно пересчитать в джиттер в пикосекундах (пс). Таким образом мы получим число, характеризующее значение джиттера тактового сигнала цифрового процессора, и БПФ-спектр, по которому можно судить о спектральном распределении джиттера.

Спектр на рис. 8-ЗЗа относится к случаю периодичного джиттера. Это означает, что энергия джиттера концентрируется на определенных частотах, которые видны как острые пики на графике. Когда вы видите пик, это значит, что на этой частоте тактовые импульсы цифрового процессора подвержены джиттеру. Обратите внимание, что пики имеются на частоте 1 кГц и ее гармониках. В качестве тестового сигнала, подаваемого на цифровой процессор, использовали синусоиду с частотой 1 кГц. Как уже было ранее сказано в этой главе, джиттер часто связан со звуковым сигналом. Нечто подобное можно увидеть на рис. 8-ЗЗа. Среднеквадратичное значение джиттера, измеренного в диапазоне частот 400 Гц — 20 кГц, составляет 350 пс.

И напротив, на рис. 8-336 показан спектр джиттера цифрового процессора с очень низким уровнем. Его среднеквадратичное значение ниже (меньше 80 пс), и сам спектр джиттера почти свободен от составляющих, связанных с сигналом.

Короче говоря, чем ниже проходит линия графика БПФ-спектра и чем она плавнее (отсутствуют острые пики), тем лучше параметры процессора по джиггеру,

В настоящее время доступны несколько измерительных методов, при помощи которых пытаются оценить работу транспорта. Один из них, доступный для каждого, оценивает качество работы автоматической системы слежения за дорожкой и системы исправления ошибок. Все что вам нужно — это тестовый компакт-диск Пьера Верани (Pierre Verany PV.788031/788032). Второй CD из этого двухдискового комплекта содержит раздел, в котором спиральная дорожка питов прерывается и идет пустой отрезок (без питов). Это имитирует выпадение данных, что случается в компакт-дисках плохого качества, а также во всех дисках из-за грязи, царапин или других повреждений носителя. На треках этого раздела записывается непрерывный тон. Постепенно длина пустых участков увеличивается, и каждое возрастание обозначено отдельным номером трека. Чем больше номер трека в этой серии, тем больше пропуск. Когда во время прослушивания обнаруживается пропадание звука, необходимо записать номер трека. По нему можно определить длину выпадения, которое проигрыватель может отследить и исправить. Чем выше номер трека, который транспорт сможет проигрывать безошибочно, тем лучше. Большинство транспортов воспроизводят без ошибок до трека с номером 33. Воспроизведение без пропусков трека 37 и выше считает ся превосходным результатом.

Недавно разработанный метод оценки качества транспорта измеряет величину джиттера в его выходном сигнале. Измерительный инструмент, разработанный "UltraAnalog", получает сигнал с интерфейсов S/PDIF или AES/EBU и отделяет составляющую джиттера от данных. Сигнал джиттера после этого изображается в форме функции от частоты. Таким образом мы можем исследовать спектр джиттера. У самых лучших транспортов величина широкополосного джиттера составляет примерно 30 пс, в самом худшем случае он может доходить приблизительно до 500 пс. На рис. 8-34а показан высокий джиттер транспорта, а на рис. 8-346 — низкий. Три графика соответствуют трем различным тестовым сигналам: сплошная линия относится к транспорту, воспроизводящему синусоидальный сигнал полного уровня с частотой 1 кГц, жирная пунктирная линия соответствует синусоиде с уровнем -90 дБ и частотой 1 кГц, тонкая пунктирная измерена для выходного сигнала транспорта, состоящего из одних нулей. Пики на линии в районе частоты 1 кГц показывают, что джиттер транспорта взаимосвязан со звуковым сигналом. Максимум на частоте 7,35 кГц, который можно видеть на рис. 8-346, обусловлен субкодом компакт-диска.

Рис. 8-34. Сравнение высокого джиттера в сигнале S/PDIF (а) и низкого джиттера (б).

Отметим в заключение, что хорошие результаты измерений параметров цифрового процессора или транспорта все-таки не гарантируют высокого качества звучания. Невозможно предсказать характер звучания компонента по результатам приборных измерений.