Цифровые усилители: «за» и «против»

26 january 2006
Цифровой усилитель Lyngdorf Millennium Mk4
Оглянитесь вокруг! Присмотритесь к технике, которая вас окружает. Возможно, это никогда не приходило вам в голову, но почти вся аудио- и видеотехника вокруг вас — цифровая. Компьютер, телевизор (естественно, с цифровым гребенчатым фильтром изображения), DVD/CD/MPЗ-плеер, усилитель с колонками. Ага, вот мы и добрались до островка «аналога» в этом океане «цифры». Но и усилители тоже постепенно становятся цифровыми.

Действительно, именно усилители долгое время оставались последним оплотом аналоговой схемотехники; но в последнее время «боевые действия» «цифры» на этом «фронте» заметно активизировались, и, кажется, участь аналоговой усилительной техники уже предрешена — она останется для массового слушателя антиквариатом да будет тешить самолюбие поклонников высокобюджетных hi-end решений. Желаем мы этого или нет, но сейчас ни у кого уже нет сомнений в том, что многолетний конфликт аналогового звука и «цифры» совсем скоро должен прийти к своему логическому завершению с практически полной победой цифровой техники на всех фронтах — в том числе и на фронте звукового усиления. Но смогут ли цифровые технологии усиления полностью победить аналоговые усилители уже сейчас?

Как работает аналоговый усилитель?

Давайте для начала рассмотрим, как выглядит процесс обработки звукового сигнала в обыкновенном усилителе, который, в общем, уместно называть аналоговым. Звук зарождается во внешнем источнике сигнала, которым может служить CD/DVD-плеер, кассетный магнитофон, тюнер или «вертушка» для виниловых дисков, — тип источника сигнала здесь не играет практически никакой роли; затем он попадает на входной каскад усилителя.

Поступающий сигнал анализируется, при необходимости в него вносятся какие-то коррективы (например, при помощи темброблока увеличивается насыщенность низких частот или, наоборот, высоких), а затем «масштабируется» посредством специальных аналоговых усилительных схем. Таким образом, получается «укрупненная копия» исходного сигнала, в недостижимом теоретическом идеале стопроцентно идентичная входящему сигналу во всем, кроме его амплитуды, которая готова для подачи на выходной каскад, чтобы направиться в акустические системы и разлиться там океаном столь желанного для нас звукового пространства. Вуаля! Весь процесс кажется простым, естественным и стройным. Но, как это часто бывает, все это красиво лишь в теории. А что же мы получаем на практике?

На практике картина вырисовывается намного более сложная. Для более-менее достоверного звукоусиления с минимальными искажениями полезного сигнала требуется добиться внутри усилителя слаженной работы большого количества хорошо подобранных и грамотно настроенных аналоговых компонентов высокого качества. Их рабочие параметры не должны быть подвержены изменениям в зависимости от времени их собственного нагрева либо от каких-то паразитных шумов. (Согласитесь, было бы весьма странно прочитать в инструкции к аппарату фразу, подобную этой: «Качественная работа усилителя гарантирована не менее чем через полчаса после его включения и на протяжении не более трех часов его использования», — хотя она во многом соответствует действительности.) Это достигается лишь использованием дорогой схемотехники. Выход из строя или ухудшение параметров одного компонента моментально сказывается на качестве звука, временами — фатально. Также аналоговые звуковые компоненты сильно зависят от снабжения качественным электропитанием, которое во избежание наводок паразитных сигналов должно быть подано внутрь системы поистине виртуозно.

Принцип действия цифрового усилителя

С точки зрения коэффициента полезного действия и снижения искажений лучше, если усилитель работает в так называемом ключевом режиме, то есть напряжение на его выходе может принимать всего два значения. Но как тогда будет передаваться сложная форма сигнала?

Делается это следующим образом. Цифровой усилитель порциями подает на акустические системы энергию. Делается это импульсами различной ширины. Чем больше ширина импульса, тем больше энергии подается. При этом частота следования импульсов на два, а то и на три порядка отличается от максимальной частоты усиливаемого сигнала, что позволяет передавать самые тонкие нюансы звучания. Между усилителем и акустическими системами стоит специальный фильтр, который сглаживает импульсы, в виде которых подается энергия. В результате на динамики сигнал приходит уже не в импульсном, а в обычном, аналоговом виде.

Таким образом, на входе цифрового усилителя должно стоять некое устройство, которое преобразует значение аналогового сигнала в ширину импульса на выходе. Называется это принципом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). В принципе, ШИМ можно реализовать и аналоговым способом — такие усилители создавались еще в 70-х годах прошлого века, но качество звука у них было низким. Реализовать ШИМ без значительного ущерба для качества звука позволили только цифровые технологии. Сейчас в цифровых усилителях используются и некоторые другие, более сложные, чем ШИМ, принципы управления импульсами на выходе, которые позволяют добиться еще более высокой точности усиления. Но суть остается прежней — сигнал преобразуется в импульсы, которые усиливаются и пропускаются через сглаживающий фильтр, снова превращаясь в аналоговый сигнал.

Самое современное решение — преобразование в импульсы для цифрового усиления непосредственно информации, записанной на цифровом носителе. Такой подход позволяет обеспечить высокое качество звука.

Аналоговые усилители звука

Раз уж мы выяснили, что собой представляет цифровое усиление и для чего оно нам нужно, давайте теперь посмотрим, как оно в настоящий момент представлено у «законодателей моды» аудиорынка.

Фирменная разработка компании Panasonic, например, носит название D.Sound (сокращение от Digital Sound — «цифровой звук») и является чем-то вроде «все в одном», где единственная микросхема отвечает за весь процесс усиления и частотной коррекции звука. Такая схема идеально подходит для создания миниатюрных аудиосистем, и линейка CD/МР3-плееров Panasonic D.Sound — отличный тому пример.

Заглянув под крышку одного из топовых Hi-Fi усилителей компании Sony — серий QX или ЕХ, — внутри мы обнаружим микросхему S-Master или S-Master PRO, ответственную за процесс цифрового усиления звука. Гордостью компании Sony также является и тот факт, что КПД данной микросхемы приближается к 90% — это означает, что на тепловую энергию расходуется всего лишь 10% потребляемой мощности, а вся остальная энергия тратится строго «по назначению».

Но самой интересной новинкой в сфере цифрового усиления, несомненно, является однобитный усилитель компании Sharp. Если попытаться сравнить его технические параметры с «метрикой» компакт-диска, то поначалу выбор однобитной схемы кажется странным по сравнению с 16 битами CD, но его главным отличием является огромная частота работы — 2,8 МГц против 44,1 кГц компакт-диска.

Для того чтобы лучше понять принцип его работы, стоит сказать пару слов еще об одной интереснейшей разработке, имеющей самое прямое отношение к однобитному цифровому усилению — новом флагманском формате записи аудио SACD (Super Audio Compact Disc). Как и оригинальный компакт-диск — CD, — этот формат был разработан совместными усилиями компаний Sony и Philips. Рекламный слоган SACD гласит: «Компакт-диск был отличной идеей, но эта — еще лучше!».

Главной особенностью нового формата является даже не высокая плотность записи носителя — фокус состоит в пересмотре самого подхода к принципу сохранения аудиоинформации. Если раньше, во времена компакт-дисков, вся поступающая цифровая информация должна была быть «отформатирована» отрезками по 16 бит с частотой 44,1 кГц, то сейчас отрезок уменьшили до 1 бита, а частота возросла до неимоверной отметки в 2,8 МГц. Впрочем, компания Sharp на этом не остановилась и недавно выпустила новую линейку аппаратуры, в которой тактовая частота еще повышена — до 5,6 МГц.

Справедливости ради стоит добавить, что однобитные цифроаналоговые преобразователи уже давно используются в дорогих CD-плеерах; но до сегодняшнего момента их потенциал не был раскрыт полностью и тратился на многопроходную «полировку» невысокого по нынешним меркам качества компакт-дисков.

Доводы «за»
Что же может измениться с переходом на цифровое усиление? Практически все! Начнем с предварительной обработки преобразованного в цифровое представление входящего сигнала. Как вы сами уже понимаете, сделать частотную коррекцию «в цифре» — раз плюнуть, для этого даже не требуется особо производительная микросхема. Попутно она может сделать дополнительную обработку сигнала для добавления эффекта «звука вокруг», либо применить к нему одну или несколько настроек эквалайзера. Дальше настает черед «масштабирования» звука, что в цифровом его представлении можно сделать намного более точно и с минимумом потерь, — и все, уже можно преобразовывать сигнал обратно в аналоговую форму и отправлять его на акустические системы. Большим плюсом здесь является также и то, что все компоненты усилительной схемы находятся внутри одной микросхемы — это увеличивает стабильность параметров и повышает надежность работы усилителя в целом. Впрочем, конструкция допускает большое количество разнообразных вариантов исполнения и если вам не нравится схема «все в одном», то можно построить цифровой усилитель и по схеме с несколькими раздельными компонентами. В любом случае по сравнению с аналоговыми компонентами микросхемы имеют завидно постоянные рабочие параметры, слабо подвержены влиянию паразитных шумов, снисходительно относятся к качеству электропитания (в разумных пределах, конечно), а также практически исключают влияние многих факторов, зачастую убивающих аналоговую технику наповал.

Доводы «против»
Конечно, не все так здорово. Есть минусы и у цифрового усиления. Во-первых, при работе с аналоговым источником звука наблюдается сильная зависимость качества звука от качества цифроаналоговых преобразователей, ответственных как за входящий, так и за исходящий сигнал. Даже если внутри усилителя будет идеально работать самая совершенная цифровая схема, низкокачественные аналогоцифро-вой и цифроаналоговый преобразователи (входной и выходной каскады, соответственно) могут свести на нет все титанические усилия по кропотливому созданию звука. Во-вторых, цифровые усилители пока что проигрывают лучшим аналоговым моделям в способности передавать резкие скачки сигнала, характерные для классической музыки. Впрочем, повышение тактовой частоты во многом решает эту проблему. Наконец, в-третьих, по мнению некоторых экспертов, хороший аналоговый усилитель звучит пока что более «живо», чем цифровой. Эта проблема может быть решена совершенствованием алгоритмов преобразования сигнала на входе в последовательность импульсов на выходе. Хотя трудно угодить всем, и, возможно, и в будущем останется немало слушателей, предпочитающих аналоговые усилители цифровым, как сейчас предпочитают «ламповый» звук…

Выводы
Попробуем подвести итог под вышесказанным: чем же цифровое усиление может быть интересно для нас, рядовых слушателей? Что оно несет конечному потребителю?

Тут можно начать с более строгого следования теории собственно звукоусиления: в полном соответствии с классической идеологией усиления сигнала, цифровые усилители предлагают нам минимум искажений полезного сигнала по сравнению с аналоговыми усилителями аналогичных классов, что, по идее, может примирить с «цифрой» даже пуристов звука.

Далее: так как все современные звуковые форматы (CD, DVD, SACD и новый Blu Ray) являются полностью цифровыми, было бы неразумно не воспользоваться преимуществами прямого цифрового усиления сигнала, без предварительного преобразования его в аналоговую форму с неизбежной деградацией качества (даже в предельно малых количествах) и возможными потерями каких-либо деталей звука. Представьте себе, насколько сильно это может изменить качество звука — в лучшую сторону, естественно!

Также существенным является тот факт, что размеры цифровых усилителей могут быть в разы меньше, чем у их громоздких аналоговых собратьев. Ведь их центральная часть — набор микросхем — практически не занимает места и может быть легко размещена в корпусе любой формы; вдобавок цифровой усилитель не нуждается в большом количестве вспомогательных электронных компонентов, необходимых его аналоговому «коллеге», что также положительно сказывается на его габаритах. Все это дает огромный простор для полета дизайнерской мысли и позволяет создавать поистине миниатюрные устройства с запоминающимся дизайном, не идя на компромисс в части качества звука.

Ну и не в последнюю очередь это вопрос цены. Сейчас, конечно, цифровые усилители дороже аналоговых, но это можно объяснить сравнительно малым объемом их производства. При крупносерийном производстве цифровые усилители обходятся дешевле аналоговых, поскольку для них требуется меньше ручных настроек. Согласитесь, что при прочих равных мы обычно выбираем не самое дорогое решение…

Таким образом, можно предположить, что в настоящее время главная сфера применения цифровых усилителей — аппаратура средней ценовой категории. Для очень дорогой аппаратуры цифровые усилители пока недостаточно популярны. Это связано как с тем, что технологии пока еще недостаточно «отшлифованы», так и с тем, что потребители очень дорогой аппаратуры весьма консервативны в своих пристрастиях. По мере развития технологии цифрового усиления будут захватывать и другие ценовые ниши. Так, крупносерийное производство цифровых усилителей даст возможность использовать их и в «бюджетной» аппаратуре. А совершенствование алгоритмов преобразования сигнала, наконец-то, позволит им завоевать сердца аудиофилов. В любом случае, именно цифровым усилителям принадлежит будущее.