Низвержение в 0 дБ: что такое интерсемпловые искажения

Предыдущий материал про муки динамического диапазона вызвал нешуточный ажиотаж. В комментарии на фейсбуке даже пожаловали господа-профессионалы. «Какая-то каша в статье из клиппинга и компрессии, это разные явления», — пишут они. Нет, дорогие мои. Каша получается, когда вы загоняете громкость микса в 0 децибел, и сейчас я вам это покажу с картинками.

«Цифра, она и в Африке цифра» — вот с такими досужими разговорчиками мы докатились до того, что профессионалы при записи или мастеринге полагают, что громкость можно выставить на предел, и все останется на своих местах. Так называемый 0 dBFS (full scale, полная шкала) — это максимальный уровень цифрового сигнала, который видит перед собой звукорежиссер на дисплее. Loudness war и любовь к орущим радиосинглам игнорируют тот факт, что даже без клиппинга сигнал в районе полной шкалы находится в зоне риска. Обещать — не значит жениться. Кто обещал, что при конвертации в МР3 или аналог все пики и уровни музыки останутся именно такими, какими их когда-то увидели в окне аудиоредактора?

При воспроизведении цифрового кода с уровнем около 0 dBFS интерполяция фильтром ЦАПа приводит к тому, что пики реального сигнала запросто выскочат за ноль! Именно этот момент имели в виду разработчики протокола Mastered for iTunes, когда умоляли выставлять громкость микса не выше –1 dBFS. Именно поэтому в новых версиях аудиоредакторов появились специальные счетчики, которые оценивают уровень интерсемпловых пиков (их также называют межсемпловыми) в аналоговом домене.

В статье, ссылку на которую я приводил в прошлом материале, автор оптимистично отводит роль виновников интерсемплового перегруза лишь дешевым CD-плеерам. Ну давайте посмотрим, что происходит на хорошем профессиональном оборудовании. С чего начнем — карта Lynx TWO-A или Sony PCM-D100? Пусть будет Lynx, у него технические показатели все-таки чуть выше.

Для оценки стойкости к межсемпловым артефактам я сгенерировал несколько образцов белого шума различной громкости. Так называют сигнал, в котором все частоты равномерно распределены по мощности в одну линию. Lynx будет воспроизводить белый шум в стандартной размерности 16 бит / 44 кГц. В свою очередь, рекордер Sony PCM-D100 в более высокой дискретности запишет этот аналоговый выхлоп с выходов Lynx, чтобы увидеть, насколько чисто фильтруются паразитные ультразвуковые артефакты.

Сначала тестируем систему классическим сигналом «белого шума» с уровнем –4дБ. Именно его используют для оценки свойств ЦАПа наши коллеги из журнала Stereophile.

Ну что же, мы видим, что все происходит весьма чинно и по науке. Где-то после 21 кГц кривая начинает резко падать (фильтроваться), чтобы к 24 кГц уже свалиться на уровень шумов –92 дБ. Перед нами наглядная демонстрация границ динамического диапазона формата компакт-диска (96 дБ). А теперь дадим Родине угля под ноль!

Ну и ужас! Горка между полезным сигналом и шумом заметно сплющилась. При 0 dBFS уровень помех квантования вырос до –60 дБ, и картинка сделалась настолько некрасивой, что Stereophile и другие журналы стесняются такое публиковать. В подобном режиме фильтрация ультразвуковых артефактов становится совсем неубедительной. Если вы подумали, что все дело в устаревшем формате Red Book, спешу огорчить — на этом графике уже изображен белый шум в размерности 24 бит / 44,1 кГц. Перед ним 16-битный на 0 dBFS продемонстрировал аналогичную картину, и я надеялся, что хотя бы 24-битное исчисление сможет опустить порог ультразвуковых шумов хоть чуть-чуть вниз. Бесполезно.

Выставим громкость белого шума на минус 3 дБ, как принято в киноиндустрии, и спад АЧХ опять становится более-менее вменяемым. Также следует заметить, что во избежание нового витка интерсемпловых искажений я записывал поступающий сигнал от Lynx TWO-A не в полную шкалу, так что реальные уровни помех будут выше. Если нормализовать записанный Sony сигнал до 0 дБ, то ультразвуковой срач на самом громком образце белого шума вырастет до –50 дБ.

Данный эксперимент был прокручен и в обратную сторону, когда источником белого шума был Sony, а Lynx записывал. И тоже аналогичный результат. Любые ЦАПы, хоть CS4396 (как в Lynx), хоть AK4480 (как у Sony), профессиональные, домашние — без разницы. Все они очень некрасиво кряхтят на сигнале 0 dBFS, не доводите их до этого.

И если вы полагаете, что реальный музыкальный сигнал и белый шум — это разные вещи, предлагаю полюбоваться аналитикой трека «Lust for Life», упомянутой в прошлой статье Ланы Дель Рей. Формально семпловый уровень фонограммы остается 0 dBFS, но iZotope пророчит еще целых 2 дБ сверху при преобразовании в аналог.

Поэтому лучше уменьшите входящий на ЦАП поток на программном плеере, если имеется такая возможность. Несколько децибел в минус заметно не испортят коэффициент сигнал/шум, зато избавят вашу систему от интерсемпловых искажений.

Подготовлено по материалам портала "Stereo & Video", сентябрь 2017 г. www.stereo.ru