Фильтры ЦАП. Лабораторная работа.

Фильтры ЦАП. Лабораторная работа.

Эта статья является продолжением работы по улучшению звучания ЦАП в процессоре Alpine PXA-H800.

Итак, после измерения и прослушивания различных фильтров после ЦАП я убедился, что фильтр 230 кГц добавляет искусственных послезвучий и увеличивает ощущение пространства записи. Также этот фильтр изменяет тембр инструмента, делая его более «вкусным», но уменьшая натуральность звука. В отличие от него, фильтр 33 кГц даёт более натуральную звуковую картину и передаёт инструменты с тембром, более близким к живому звуку. Измерения фильтров 230 кГц и 33 кГц на первый взгляд не показали значительной разницы. Близкие АЧХ и ФЧХ. Близкие коэффициенты гармоник и уровни гармоник. Измерения не подтверждали такой значительной разницы в звучании.

Для того чтобы убедиться в правильности выводов, я подготовил три пары каналов процессора с тремя вариантами фильтра АЦП и выслал процессор хозяину на прослушивание. Ответом было утверждение, что фильтр 33 кГц даёт наиболее натуральное звучание, а фильтр 230 кГц добавляет «яркости» звуку, но при этом звучание системы отличается от звучания живых инструментов. Процессор приехал ко мне на окончательную переделку.

Глубокое погружение.

Как любой нормальный инженер, я хотел найти и измерить ту разницу между фильтрами, которую я хорошо слышу ушами, но не могу зафиксировать инструментами. Тогда я взял два левых канала процессора, отличающиеся только значениями частоты пропускания фильтров ЦАП – 230 и 33 кГц. Подал на вход сигнал 1 кГц 24 бит и вывел два спектра на один экран:

Здесь и далее зелёный график – фильтр 33 кГц, синий – 230 кГц. На первый взгляд графики очень похожи. Уровень сигнала одинаков, коэффициент гармоник тоже почти одинаков (0,09% и 0,11%). Уровень шумов тоже. Я посмотрел уровень второй гармоники:

-91 и -90 дБ. Разница на уровне точности измерений.

Уровень третьей гармоники:

Отличный результат. -97 и -99 дБ. Значит разница не в уровне гармоник. \

Тогда я обратил внимание на уровни сигналов, которые не входят в ряд частот, кратный основному сигналу. Вот на такие, помеченные цифрами 1 и 2:

Посмотрим на них поближе:

Если растянуть график ещё крупнее, получатся такие картинки:

И вот здесь я увидел разницу между сигналами!  Это действительно интермодуляционные сигналы между частотой полезного сигнала и частотой работы ЦАП. Хотя уровень  этих сигналов меньше уровня гармоник процессора, ухо прекрасно их слышит. Фильтр 230 кГц пропускает ненужные сигналы верхней боковой полосы выше 8 * 24кГц = 192 кГц для восьмикратной передискретизации и частоте отсчётов сигнала 48 кГц. Эти «хвосты» взаимодействуют с полезным сигналом, и результат их интермодуляции лежит в звуковом диапазоне.

Затем я попробовал измерить уровень интермодуляционных искажений стандартными методами:

Программа не показала значительной разницы между фильтрами. Но программа рассчитана на частоты взаимодействия двух испытательных сигналов и их производные, а не на частоты взаимодействия сигналов верхней боковой полосы ЦАП и полезного сигнала. На графике я отметил сигналы, которых нет в канале с фильтром 33 кГц.

Сигнал от фильтра 33 кГц как минимум на 9-10 дБ чище, чем от фильтра 230 кГц.

Что в итоге?

Фильтр 230 кГц добавляет на выход такие сигналы, которых не было в исходном материале. Это видно по представленным графикам. Хотя уровни этих помех ниже уровня искажений системы на 20-30 дБ, ухо их прекрасно слышит и различает. Поскольку частоты этих помех не совпадают с частотами, кратными частоте полезного сигнала, ухо не воспринимает их как искажения. Они слышатся как дополнительная окраска звуков. Нетренированному слуху кажется, что такой фильтр передаёт более богатый тембр звучания инструментов. Такой фильтр работает как «гармонизатор», обогащая дополнительными звуками музыкальный сигнал.  Однако, этих сигналов изначально не было в записи.

Фильтр, построенный согласно теории, с частотой среза 33 кГц, не добавляет таких помех. Звучание такого фильтра более близко к живому звуку и не утомляет слух после длительного прослушивания.

Теперь математический расчёт и субъективные ощущения пришли к общему мнению.