Co to je převodník a jak to funguje

Tento článek se vyjadřuje k tématu kvalitní reprodukce zvuku za pomoci počítače s převodníkem a snaží se osvětlit problém jitter a jeho řešení ve formě asynchronního USB.

Počítač jako zdroj hudby

V dnešní době se zdá být nejpopulárnějším přístrojem na přehrávání hudby počítač, notebook, tablet či chytrý telefon, protože tato zařízení kromě velkého množství jiných funkcí dokáží pohodlně organizovat hudební sbírku, snadno se ovládají a logicky se tak nabízejí sloužit jako univerzální přehrávač. Právě ale jejich všestrannost je důvodem toho, že na některých součástkách se šetří, dělají se jednodušší, nebo prostě nikdy nebyly určeny pro používání s důrazem na vysokou kvalitu.

Přesně toto se dotýká i zvukových karet v počítači a obecně přístupu k práci se zvukem. Tak jako standardní počítač neobsahuje běžně grafickou kartu pro architekty nebo nemá displej vhodný pro použití v DTP studiu, tak stejně nemá ani zvukovou kartu vhodnou pro práci ve studiu nebo do kvalitnější hi-fi sestavy.

USB DAC, aneb externí zvuková karta

DAC (Digital to Analog Converter), tedy česky D/A převodník je elektronická součástka pro převod digitálního signálu na analogový a obráceně. Nazývá se tak ale i zvuková karta k počítači s primárním zaměřením na kvalitní převod digitálního signálu z počítače na analogový, u níž je DAC jedna z nejpodstatnějších částí. Na rozdíl od normálních, herních, studiových či jiných zvukových karet nemívá funkcionalitu typu vícekanálový zvuk, vstupy nebo laškovné audio efekty. Je to náhrada CD přehrávače, magnetofonu či gramofonu.

Co se funkcí týče, jsou převodníky vybaveny střídmě. Některé mají zeslabovače, u jiných se intenzita signálu ovlivňuje pouze digitálně. Malé DACy mají obvody uvnitř obvykle na jednom tištěném spoji. Vnitřní uspořádání a zvolené součástky ovlivňují charakter zvuku. Lze postavit i USB DACy z velice drahých komponent jejichž kvalita zvuku stoupá společně s cenou, která z desítek tisíc přesahuje občas i do stovky tisíc.

Za srdce DACu lze považovat samotný D/A převodník, který ovlivňuje kvalitu zvuku ale také podporované datové toky(PCM, PDM[1]) nebo jejich bitovou hloubku a frekvenci.

  • bitová hloubka – určuje rozlišení signálu, počet bitů pro vyjádření informace o intenzitě zvuku. Čím vyšší, tím větší dynamika. Kvalitní nahrávky dnes mají 24bit a ačkoliv běžná CD mají 16bit, lze zbylou hloubku použít pro snížení intenzity zvuku bez zkreslení.
  • podporované vzorkovací frekvence – nejběžnější je sice 44,1kHz, na které v počítači běží většina programů, videí a také hudby, avšak kvalitní, ale i třeba studiové nahrávky bývají ve vyšších formátech (48, 96). Formát DVD-Audio či některé online obchody nabízí hudbu i v 192kHz. Pokud převodník podporuje danou vzorkovací frekvenci nahrávky, dokáže ji přehrát bez podvzorkování. 

Úskalí kvalitního zvuku z digitálního zdroje

Aby DAC vytvářel zvuk s co největší přesností záleží na více faktorech. Jeden z nejpodstatnějších je propojení zařízení s počítačem. K tomu se nejčastěji používá USB, které přináší hned několik komplikací: Jednak má různé verze s rozdílnými parametry ale také ve spolupráci s ostatními prvky v počítači znehodnocuje signál přidáním tzv. jitteru (chvění).

Verze USB nejsou až takový problém, protože jich není mnoho a i již velmi stará verze 1.1 (tzv. Full-Speed USB) stačí pro přehrávání signálu ve 24 bitové hloubce při frekvenci 96kHz, přičemž v dnešní době se prodávají počítače i notebooky s USB 3 a starší USB 2 (High-Speed USB) podporují i víceleté stroje. Poněkud komplikovanější to je s USB audio ovladači. USB DACy totiž spoléhají na standardizované ovladače USB Audio Class, které existují ve dvou verzích. Starší verze 1.0 vznikla pro původní USB a její maximální přenosovou rychlostí je 12 Mbit/s (USB 1.1), do které se vejde výše zmíněný signál 24bit/96kHz. Tato verze je podporována systémy Windows XP a vyšší, Linux a OSX Snow Leopard a vyšší. Novější verze 2.0 je zpětně kompatibilní a využívá vyšší propustnost (dle USB 2.0 specifikace teoreticky 480 Mbit/s, prakticky tak půlku), která je potřebná pro vyšší datové toky, např. 24bit/192kHz. Ačkoliv tuto verzi podporuje Linux i OSX, Microsoft ovladač neimplementoval a výrobci DACů tak musejí implementovat ovladače vlastní.

Jitter versus asynchronní USB

Výrazný problém ale představuje jitter, což je chyba v digitálním signálu, vzniklá posuny v časování datových paketů signálu. Způsobuje ji špatná kvalita provedení a obvodů projevující se například ve formě výkyvů v napájení, rušení vniká i na úrovni digitálního zpracování dat, ale nejpodstatnější jsou asi výkyvy vznikající rozdílnou frekvencí hodin USB sběrnice proti frekvenci potřebné pro přenos signálu, což je způsobeno použitým typem přenosu USB.

Typický způsob přenosu je adaptivní. V takovém případě počítač posílá balíčky v proměnlivých frekvencí a USB DAC musí odhadovat frekvence příchozího signálu (např. fázovým závěsem), přičemž vznikají nepřesnosti v časování[2]. Tyto nepřesnosti obvykle nehrají žádnou roli, digitální data jsou po přenosu stejná a též se často používají (např. při streamování) buffery. Případ přehrávání audia je však jiný, v reálném čase k převodníku putují data, který převodník s periodicky zpracovává a zanesené nepravidelnosti se stávají součástí signálu.

V roce 2008 pan Gordon Rankin z firmy Wavelengthaudio patentoval způsob propojení DAC a PC asynchronním USB, které problém řeší generováním frekvence hodin na straně DACu a tedy její přizpůsobení potřebám DACu, kdy při správné implementaci je možné jitter potlačit téměř úplně. Výkyvy v napájení řeší izolující obvody či externím napájení a úroveň zpracování dat je úroveň operačního systému, který se stará o včasné předání signálu k USB řadiči. I to kupodivu hraje důležitou roli, protože např. operační systém Windows často nedokáže takové včasné doručení zaručit. Proto existují např. technologie WASAPI a ASIO, které zaručí aplikaci (přehrávači hudby) výsadní kontroly nad zvukovým zařízením a též zaručí včasné doručení signálu.

A je to opravdu kvalitnější?

Vnímání kvality zvuku je určitě subjektivní záležitostí. Různí lidé se zaměřují na různé aspekty zvuku. Příznivci hi-fi zvuku se však často shodují, že rozdíl je podstatný.

I ve světě audiofilská komunita přijímá asynchronní USB jako nový standard pro kvalitní USB zvuk. Případnými odpůrci bývají často výrobci převodníků, používající ještě pořád adaptivní USB.

Naše osobní zkušenost je plná nadšení a neváháme popsat rozdíl jako velice zásadní – zvuk je přesnější, živější, vytratí se z něj ruchy a některé frekvence přestanou rezonovat. Na našich soundsystémech jsme zaznamenali i zajímavé vjemy, např. že zvuk zní lépe i když člověk sedí mimo vyrovnané stereo (např. blíže jedné bedně) nebo že při zvýšení hlasitosti zvuk je méně nepříjemný.

Za pozitivní považujeme též to, že existují i výrobci, kteří se nesnaží udělat především drahý hi-fi produkt a vyrábí kvalitní převodníky za snesitelné ceny i třeba pro menší hi-fi sestavy. Přesně ty se snažíme vybírat a dovážet do ČR.

 

[1] Dříve byl pro počítače jediný formát PCM, který je použit jako základní metoda převodu analogového signálu na digitální fungující na bázi zaznamenávání hodnoty signálu v čase. Ač dlouhou dobu dostačující, užívaný na DAT, CD, formátech používaných na PC, vznikly též alternativy. Za zmínku stojí určitě formát DSD (na bázi PDM) od Sony, který zvuk zaznamenává spíše jako proud elektronů v kabelu, kdy při vyšší intenzitě proudí více elektronů a obráceně. Frekvence takového signálu začíná na 2,8MHz (DSD64) a na jeden vzorek stačí 1 bit. Takový signál třeba dokáže lépe vykreslit signály s vyšší frekvencí, které se v PCM s nízkou (44,1) vzorkovací frekvencí hodně změní. (Při vyšších frekvencích však PCM tuto nevýhodu dorovnává, viz názorné porovnání.)

[2] USB sběrnice má frekvenci hodin 12MHz ale např. stopa se vzorkovací frekvencí 44,1MHz může potřebovat frekvenci 11,2896MHz (zdroj). Tuto frekvenci se snaží Počítač se ale při přehrávání hudby stará o mnoho dalších paraelních úloh, a tak frekvence posílání paketů může mít výkyvy.