У моего телефона есть ЦАП? объясняя ЦАПы и усилители в смартфонах сегодня

Мы часто задаемся этим вопросом, и теперь, когда на многих телефонах больше нет гнезда для наушников, это стало еще более распространенным: у моего телефона есть ЦАП? Что такое ЦАП и что он делает? А как насчет усилителя?

Давайте посмотрим, сможем ли мы найти ответы и, что более важно, понять, как все это работает, и зачем нам нужен этот ЦАП с забавным названием и как усилитель заставляет его звучать лучше или хуже.

Подробнее: Состояние звука на смартфоне: ЦАП, кодеки и другие термины, которые вам необходимо знать

Что такое ЦАП?

Изображение предоставлено LG.

ЦАП берет цифровой сигнал со своего входа и преобразует его в аналоговый сигнал на своем выходе. Цифровой аудиосигнал легко объяснить, но немного сложнее обернуть голову. Это электрический сигнал, который преобразуется в биты. Биты находятся в шаблоне, который имеет определенное значение в каждой точке, и чем больше раз отбирается исходный сигнал, тем точнее этот шаблон и эти значения.

Аналоговый сигнал - это то, что вы изображаете в своей голове, когда думаете о форме волны. Это непрерывный сигнал, который изменяется по амплитуде вдоль временной шкалы.

Аудио преобразуется в цифровую копию, потому что его легче сжимать, а электронные вещи, которые мы любим, такие как наши телефоны, не могут хранить аналоговый сигнал, как кассета. Они также не могут прочитать их обратно, если вы подумали о подключении стримера к вашему телефону. Цифровой сигнал сильно отличается от аналогового, и самый простой способ понять это - небольшая удобная диаграмма.

Цифровой сигнал следует очень жестким и рассчитанным линиям, тогда как аналоговый сигнал более свободен. Это из-за времени выборки; большее время выборки будет ближе друг к другу вдоль нижней оси (ВРЕМЯ) и даст более гладкий цифровой сигнал, который по форме ближе к аналоговому. Правая ось измеряет амплитуду звуковой волны. Когда вы видите сигнал между третьим и четвертым временем выборки в нашем примере, вы можете увидеть, как эти два сигнала отличаются, что означает, что звук будет отличаться.

Физика и ограничения, связанные с тем, чтобы быть человеком, означают, что это не так важно для воспроизведения, как кажется. Но это очень важно для студийной работы и сохранения оригинального качества записи. Преобразование - очень сложная процедура, и ЦАП выполняет много работы. Важно понимать, почему цифровой аудиофайл может звучать иначе, чем аналоговая запись.

Усилок

Усилитель выполняет только одно действие - выводит аналоговый сигнал (усилители, о котором мы говорим, в любом случае), поэтому он более интенсивный и будет громче, когда он выходит из динамика. Аналоговый сигнал - это просто электричество. Наращивать электричество действительно очень просто, и вы используете то, что составляет трансформатор (успокойтесь инженеры, это должно быть просто), чтобы получить вход, захватить немного энергии из другого места и увеличить вход. Это преобразует источник.

Построить усилитель легко. Строить хороший усилитель нет.

Несколько особенностей могут показать легкую часть. Чтобы усилить флуктуирующий сигнал - как любой вид звука - вы используете трехпроводной компонент, называемый транзистором (или его эквивалентом в интегральной схеме). Три соединения называются основанием, коллектором и излучателем. Подача слабого сигнала между базой и эмиттером создает более интенсивный сигнал через эмиттер и коллектор, когда на него подается внешнее питание. Исходный сигнал прикрепляется к базе, а динамик подключается к коллектору. Вы можете сделать то же самое с вакуумной трубкой, но она не подходит для вашего телефона.

Трудная часть делает все это, поддерживая оригинальную частоту и амплитуду. Если усилитель не может воспроизвести частоту входного сигнала, его частотная характеристика не подходит, и некоторые звуки усиливаются сильнее, чем другие, и все звучит плохо. Если амплитуда входного сигнала (назовем эту громкость) увеличивается до уровня, который не может соответствовать выходному сигналу (транзистор может выдавать только такую ​​мощность), громкость усилителя отключается, и ваш звук начинает обрезаться и искажаться. Наконец, если вы слушаете во время записи (мы привыкли называть это телефонным звонком), усилитель должен быть осторожен, он не усиливает сигнал достаточно высоко, чтобы микрофон мог его поднять, иначе вы получите обратную связь. Это относится не только к выходу, который вы слышите, но и к самому сигналу. Электричество = магнетизм.

Качественный усилитель может смягчить все искажения, которые он создает.

Когда вы говорите о больших усилителях, которые используются на сцене, в миксе есть много других вещей, таких как предусилители или многоступенчатые усилители или даже сложные настройки операционных усилителей, которые могут влиять на звук. Но у маленьких усилителей есть свои трудности, если вы хотите сделать хороший тоже. Вы не можете усилить аналоговый сигнал, не влияя на усиление (громкость), точность (точное воспроизведение звука) или эффективность (разряд батареи). Сделать хороший усилитель для телефона сложно. Намного сложнее, чем использовать хороший ЦАП, поэтому мы видим телефоны с хорошим 24-битным ЦАП, которые по-прежнему звучат плохо, по сравнению с телефоном типа LG V30, который также имеет отличный усилитель.

Битовая глубина и частота дискретизации

Мы не можем слышать цифровой звук. Но наши телефоны не могут хранить аналоговое аудио. Поэтому, когда мы играем нашу музыку, она должна проходить через ЦАП. Наша небольшая диаграмма выше показывает, как важно дискретизировать аналоговый сигнал столько раз, сколько это возможно, при преобразовании его в цифровой файл. Но то, насколько «глубокий» твой образец тоже имеет значение.

Не вдаваясь в технические подробности, чем точнее вы хотите получить каждый образец, тем выше битовая глубина, которую вам нужно использовать. Битовая глубина представлена ​​числом, которое может быть обманчивым. Разница в размерах между 16 и 24 и 32 больше, чем вы думаете. Намного больше.

Когда вы добавляете один бит, вы удваиваете количество шаблонов данных.

Бит может хранить только два значения (0 и 1), но вы можете рассчитывать, используя их так же, как вы можете использовать «обычные» цифры. Начните считать с 0, и вы нажмете 9; Вы добавляете еще один столбец к числу и получаете 10. Используя биты, вы начинаете с 0, а когда вы нажимаете 1, вы добавляете еще один столбец, чтобы получить 00, который становится 2-битным числом. Двухбитное число может иметь четыре разных шаблона данных или точки (00, 01, 10 или 11). Когда вы добавляете один бит, вы удваиваете количество точек данных, и 3-битное число может иметь восемь различных шаблонов данных (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 или 111).

Не беспокойся Мы закончили с математикой. Просто важно понять, что на самом деле представляет битовая глубина. 16-битный сигнал имеет 65 536 отдельных точек данных, 24-битный сигнал имеет в 256 раз больше данных с 16 777 216 точками на выборку, а 32-битный сигнал имеет 4 294 967 294 точки на выборку. Это в 65 536 раз больше данных, чем 16-битный файл.

Частота дискретизации измеряется в герцах, а 1 герц означает один раз в секунду. Чем больше раз вы пробуете файл, тем больше исходных данных вы можете получить. Аудио кодирование качества CD захватывает данные со скоростью 44 100 раз в секунду. Кодирование с высоким разрешением может реально производить выборку со скоростью 384 000 раз в секунду. Когда вы захватываете больше данных с большей битовой глубиной и делаете это больше раз в секунду, вы можете более точно воссоздать оригинал.

Создание хорошего ЦАП и усилителя - не единственная сложная часть процесса - кодирование звука использует миллионы и миллионы вычислений каждую секунду.

Эти же факторы имеют значение и для потокового аудио (которое является цифровым), но потоковое аудио добавляет еще один уровень сложности, поскольку его качество также зависит от битрейта - битов, обрабатываемых за единицу времени. Мы измеряем это так же, как измеряем скорость интернета: кбит / с (килобит в секунду). Чем выше, тем лучше. Кодек, используемый для сжатия цифрового аудиосигнала, также важен, и кодеки без потерь, такие как FLAC или ALAC, хранят больше цифровых данных, чем кодеки с потерями, такие как MP3. Для того, чтобы звук поступал через динамик или наушники, требуется много работы.

Реальные цифры

Ранее мы упоминали, что кодирование записи для хранения (в качестве основного) немного отличается от кодирования ее для воспроизведения. Машины и компьютеры не слышат, и это все игра в числа. Когда вы кодируете и декодируете аудиосигнал, вы много занимаетесь математикой. Чем больше информации вы используете для расчета амплитуды сигнала, тем точнее будут вычисления. Но наши уши не компьютеры.

Даже идеальный слух не поможет вам услышать какую-либо выгоду от 32-битной аудиосистемы. Пока, во всяком случае.

Аудио файл заполнен "звуками", которые мы не слышим. Большая часть данных в 32-битной кодировке бесполезна при прослушивании, а слишком высокая частота дискретизации может на самом деле звучать хуже, поскольку она создает слишком много электрических помех. Создание цифрового аудиофайла, содержащего нужное количество информации, учитывает это, как и дизайн ЦАП. Но, как и все вещи, более высокие цифры выглядят лучше для людей, которые продают их. Знать, как и почему все это работает, действительно здорово, но знать, что вам нужно, важнее.

Цифровой аудиофайл, закодированный с частотой 24 бита и 48 кГц, и ЦАП, который может их преобразовать, обеспечивают наилучшее качество, которое мы можем услышать. Все, что выше, - это плацебо и инструмент маркетинга.

Физические ограничения нашего тела и то, как работают наши современные технологии, означают, что данные, собранные на глубине чуть больше 21 бит и с частотой дискретизации более 42 кГц, являются пределом «идеального» слуха. Важно иметь цифровую копию записанного аудио с чрезвычайно высокой скоростью передачи данных на случай технологического прорыва, но файлы, которые вы слушаете сегодня, и оборудование, которое может их воспроизводить, имеют разумный потолок. Но этот прорыв никогда не случится с оборудованием, которое мы используем сегодня, так что 32-битный ЦАП в вашем LG V30 - это слишком много.

Итак, давайте снова пройдемся через этот ЦАП и усилитель

ЦАП - это аудиокомпонент, который используется для преобразования цифровых аудиофайлов, хранящихся на наших телефонах, в аналоговый сигнал. Здесь много сложной математики, которая пытается сделать копию звука копии близкой к оригиналу, но большую часть аудиоданных мы не слышим. Вы можете даже сделать вещи хуже, если попытаетесь сделать слишком много при кодировании файла.

Приложение воспроизводит файл. ЦАП преобразует его в аналоговый. Усилитель усиливает сигнал. И сыр стоит один.

Аналоговый сигнал подается на усилитель, который повышает интенсивность сигнала, поэтому он становится громче. Но сделать вещи громче, не заставляя их звучать плохо, очень сложно. Когда вы делаете это на чем-то таком маленьком, как телефон, который также имеет ограниченное количество заряда батареи, это становится особенно сложным. Усилитель может (и обычно делает) иметь большее влияние на то, как звучат наши уши, чем ЦАП.

Аналоговый выход ЦАП и усилителя - это то, что могут воспроизводить наши наушники и слышать наши уши, но наши телефоны не могут правильно их хранить, поэтому необходим цифровой файл. И в случае, если инженер где-то сделает значительный прорыв в кодировании и декодировании цифрового звука, оригинальные работы хранятся с астрономическими объемами данных, большая часть которых выбрасывается при кодировании файла, который звучит лучше всего.

Все, что вам когда-либо понадобится, - это ЦАП, который может конвертировать файлы 24-бит / 48 кГц, усилитель, усиливающий сигнал без добавления искажений или шума, и высококачественные файлы для воспроизведения.

Уф.

В моем телефоне есть ЦАП и усилитель?

Он издает какие-то звуки вообще? Если это так, у него есть ЦАП и усилитель.

Мы говорили о том, почему записанное аудио преобразовывается в цифровую копию ранее, а как быть с аналоговым сигналом? Почему это особенное и почему мы должны конвертировать аудио обратно в аналоговый? Из-за давления.

Каждая электронная вещь, которая может воспроизводить звуки, имеет ЦАП.

Одним из способов измерения аналогового сигнала является его интенсивность. Чем интенсивнее (вдали от нулевого пятна в форме сигнала) каждая частота сигнала, тем громче она будет при повторном воспроизведении динамиком. Динамик использует электромагнит и бумагу или ткань, которая перемещается, чтобы преобразовать сигнал в звук. Аналоговый сигнал поддерживает движение катушки, а элементы из бумаги или ткани толкают воздух, создавая волну давления. Когда эта волна давления достигает наших барабанных перепонок, она издает звук. Измените интенсивность и частоту волн давления, и вы создадите разные звуки.

Это почти похоже на волшебство, и ученые, которые выяснили, как записывать и воспроизводить звук, были на совершенно другом уровне умных.

ЦАП и усилитель могут долго и счастливо жить в наушниках или кабеле.

Некоторые телефоны имеют лучший ЦАП и усилитель, чем другие, и телефоны без разъема для наушников не должны использовать комбинацию ЦАП / усилитель для передачи звука на пару наушников. Все телефоны имеют их для системных звуков и голосовых вызовов, но ЦАП и усилитель также могут находиться внутри ваших наушников или даже в кабеле, соединяющем наушники с вашим USB-портом. USB-C может отправлять аналоговое и цифровое аудио на выходе, и для воспроизведения аналогового аудио через порт можно использовать как обычные наушники (с адаптером), так и наушники с собственным ЦАП могут принимать цифровое аудио для декодирования и преобразования.

И у вас, вероятно, есть наушники с ЦАП и усилителем внутри, потому что так работает Bluetooth.

Bluetooth аудио

ЦАП и усилитель должны находиться в линии между воспроизводимым цифровым файлом и вашими ушами. Нет другого способа услышать какие-либо звуки. Когда мы используем Bluetooth для прослушивания музыки или фильма (или даже телефонного звонка), мы отправляем цифровой сигнал с нашего телефона на наушники Bluetooth. Оказавшись там, он преобразуется на лету (именно это означает потоковое аудио) в аналоговый сигнал, направляется через динамики и переносится по воздуху как волна давления в ваши уши.

Bluetooth добавляет еще один уровень сложности, но ЦАП и усилитель все еще задействованы.

Качество ЦАП и усилителя при использовании Bluetooth так же важно, как и при проводном соединении, но другие компоненты также могут влиять на звук. Перед отправкой звука через Bluetooth он сжимается. Это потому, что Bluetooth работает медленно. Меньший кусок файла легче отправить, чем больший, а сжатие аудио облегчает потоковую передачу. Когда ваши наушники получают фрагмент сжатого аудиофайла, он сначала должен быть распакован, а затем отправлен в правильном порядке через ЦАП и усилитель в наушниках. Существует несколько различных способов сжатия, измельчения, передачи и повторной сборки звука по Bluetooth с использованием различных аудиокодеков Bluetooth. Некоторые из них обеспечивают более качественный цифровой файл (более высокую битовую глубину и частоту дискретизации), чем другие, для ЦАП и усилителя ваших наушников, но как только эти данные поступают, ваши наушники Bluetooth работают точно так же, как внутренние ЦАП и усилитель.

Резюме и что имеет значение

Есть много способов получить музыку из песни, которую вы скачали на свой телефон, в ваши уши. Но каждый из них требует ЦАП и усилителя.

Вам не нужно быть аудиофилом, чтобы слушать музыку. Важно то, как это звучит для вас.

Высококачественные аудиокомпоненты могут обрабатывать больше аудиоданных и предлагать более качественное звучание, но все в жизни имеет свой компромисс. ЦАП, который может преобразовывать более 16-битного звука, стоит дороже купить и встроить в телефон, поскольку он также более чувствителен к помехам от других частей. То же самое касается усилителя - особенно мощных усилителей, которые могут управлять высокоимпедансными наушниками. Даже сами аудиофайлы имеют недостаток, поскольку аудиофайлы с высоким разрешением могут быть довольно большими и занимать больше места для хранения или более быстрое соединение с потоком.

Вы действительно не должны знать об этом, чтобы понравиться, как звучит ваш телефон. И это ключ - ты тот, кто решает, что звучит хорошо. Не позволяйте никакой дискуссии о том, что лучше или что не так с Bluetooth, влияют на то, что вы слышите, особенно если вы довольны тем, как он звучит.