Ať nemusíte počítat - je to 55 let. Bylo to v lednu 1971 - kdy japonská společnost Denon (Nippon Columbia) vyvinula první prakticky použitelný PCM rekordér DN-023R a v lednu 1971 uskutečnila první komerční digitální nahrávku (jazzové album Steve Marcus - Something). První kompletně čistě digitálně nahrané album je pak blues-rockové Till You Drop - Ry Coodera, z července 1979, nahrané v hollywoodských studiích Warner Brothers. Ale popořadě - na konci této předehry "Jak to celé začalo" vás čeká to o čem to dnes bude - "finta fň", kdy po 46 letech od představení digitálního formátu CD (Compact Disc) a standardu Red Book definující parametry pro digitální audio, a následném zahájení výroby disků (v srpnu 1982 v německé továrně Polygram Langehagen - prvními CD byly tituly ABBA - The Visitors a Alpská symfonie Richarda Strausse, prvním prodaným CD na téhle planetě Billy Joel - 52nd Street), a následném zahájení prodejů i čtecího hardware v říjnu téhož roku začátku, nejprve v Japonsku, prvního epřehrávače - Sony CDP-101, o měsíc později následován v Evropě modelem Philips CD100 a třetím v řadě byl Technics SL-P10m a kupodivu ještě v době socialismu do Československé socialistické repupliky dorazil v Philips licenci vyráběný model Tesla MC900 / MC911 (jeho cena 9.990 Kčs odpovídala tehdejšímu půlročnímu platu). Tento krátký perex je zde jen pro připomenutí - od kdy že to bojujeme, snažíme se, nejlepší mozky oboru zaměstnáváme - abychom digitální zvuk udělali zas (čti - více) analogovým.
Aby nám to znělo méně digitálně a více analogově hrálo, stavíme (krásná, byť) monstra, která zní opravdu skvěle, ale i nadprůměrně zabezpečený audifil o nich spíš jen sní. Než přijde technické povídání co nejprve trochu hudby - té v úvodu zmíněné - první digitální:
CH Precision PEtER spline – rekonstrukce hladkého analogového průběhu
Co je to PEtER Spline filtr? Digitální zvuk se nakonec redukuje na jednu výzvu - rekonstrukci plynulého analogového průběhu z diskrétních digitálních vzorků. Filtr uvnitř DAC určuje, jak k této rekonstrukci dochází – a jak věrně je hudba zachována v čase. Tradiční digitální filtry nutí konstruktéry ke kompromisům. Někteří upřednostňují frekvenční odezvu, jiní fázovou přesnost nebo impulzní chování. Při snížení jednoho často trpí jiný parametr. Mnoho DAC to řeší tím, že nabízí více možností filtrů a nechává posluchače, aby si mezi nimi vybral (čti - jestli mému sluchu více vyhovuje blbě zleva, nebo zprava - což popravdě existuje, více viz níže).
CH Precision se vydali jinou cestou
Filtr PEtER Spline Filter byl vyvinut za účelem rekonstrukce vlnové formy s větší časovou integritou. Obnovením přirozeného zakřivení mezi vzorky (sampling - vzorkování je proces převodu spojitého analogového signálu na signál diskrétní, což je nezbytný krok při digitalizaci zvuku, spočívající v odebírání okamžitých hodnot signálu v pravidelných časových intervalech; vzorkovací frekvence udává počet vzorků odebraných za 1 sekundu (jednotka Hz), kdy např. standardní CD kvalita používá frekvenci 44,1 kHz) výrazně redukuje předzvonění (Pre-Ringing - viz obr. výše) a dozvuk(ové vlnění, aneb Post-Ringing - to v oblasti digitálního zpracování signálu označuje nežádoucí oscilace, které se v signálu objevují bezprostředně po prudké změně (po impulsu nebo hraně signálu); tzn. zniká jako artefakt při použití digitálních filtrů (typicky dolní propusti), které odřezávají vysoké frekvence; matematicky jde o projev Gibbsova jevu, kdy se omezené frekvenční spektrum snaží věrně vykreslit skokovou změnu; viz obr. výše - na osciloskopu to vypadá jako série doznívajících vln (překmitů a podkmitů) za hlavní špičkou signálu - a to slyšíme; post-ringing vnímáme jako ozvěnu nebo „rozmazání“ transientů (např. úderu na buben); nepříjemné, ale méně rušivé než tzv. pre-ringing (vlnění před impulsem), protože to lidské ucho často přirozeně zamaskuje samotným zvukem, který mu předchází) při zachování přesného fázového chování.
Důležitá vsuvka - aneb blíže k průšvihu Pre-Ringing a proč je horší
Jde o psychoakustický jev zvaný časové maskování (temporal masking). Konkrétně o vlastnost lidského sluchu, díky které silnější zvuk „přebije“ a zneviditelní zvuky tišší, které se vyskytují v jeho těsné blízkosti. Lidskému mozku trvá několik desítek milisekund, než se po hlasitém podnětu (typicky úder do bubnu) vrátí k plné citlivosti. Během této krátké doby ucho vnímá pouze doznívání hlavního zvuku. Post-ringing se odehrává právě v tomto okně, takže jej mozek vnímá jako přirozenou součást dozvuku nebo rezonance nástroje a prakticky ho ignoruje. Není to dokonalé, ale vlastně to nevadí.
Co vadí to je nepřirozenost pre-ringingu
Pre-ringing je naopak docela nepříjemný problém, protože ucho není na „zvuk před zvukem“ od Matky přírody zvyklé. Zpětné maskování tohoto problému je proto mnohem slabší – ucho dokáže maskovat ticho před impulsem. Když filtr vytvoří oscilace před úderem, slyšíme je jako nepřirozené „svištění“ nebo „nasávání“, které zvuk ohlásí dříve, než skutečně nastane. To výrazně ničí ostrost (transienty) zvuku.
Pro představu totéž se světlem - představte si že jste oslněni. Post-ringing je jako slabá záře, kterou vidíte chvíli poté, co vám někdo posvítil silnou baterkou do očí. Vaše oči jsou „přesycené“ hlavním světlem, takže tu slabou záři vnímáte jako logický následek. To Pre-ringing je, jako byste viděli slabou záři předtím, než někdo tu baterku vůbec rozsvítil. Okamžitě byste poznali, že je něco v nepořádku, protože to odporuje logice příčiny a následku.
Proto konstruktéři často preferují filtry s minimální fází, které sice produkují více post-ringing, ale žádný pre-ringing. Výsledek sice není fázově čistý, ale pro lidské ucho to zní mnohem „úderněji“ a přirozeněji. Co když to jde ale ještě jinak?
Zpět k řešení CH Presicion
Jejich proprietární technologie PEtER Spline Filter se používá ve všech DAC převodnících CH Precision a tvoří jádro digitální architektury společnosti. Když zůstane časová doména neporušená, je výsledek okamžitě slyšitelný - úder je čistší čistší, soudržné harmonické a zvuková scéna, která si zachovává svůj tvar. Hudba se objevuje s pocitem přirozeného toku, nikoli jako digitální artefakt. Byla to dřina - ale digitál už zní jako analog.
Kudy z pasti navzorkovaného zvuku - tudy
Existuje mnoho způsobů, jak převést čísla na zvuk, a každý z nich s sebou nese určité kompromisy. Nejjednodušším řešením, které používá i mnoho výrobců špičkových zařízení, je použití běžně dostupného delta-sigma čipu – převzorkování, tvarování šumu a filtrování chyb do konzistentní, byť obecné podoby. Ambicióznější přístupy využívají diskrétní pole latchů (rezistorů - latch, (česky západka) je základní stavební prvek pro uchování 1 bitu informace, sloužící k "uzamčení" a podržení datové hodnoty, dokud není nahrazena novou - taková dočasná paměť), které však mají své vlastní slabiny. Ačkoli byly použity různé techniky ke zmírnění problémů, jako je nesoulad komponent, teplotní drift a dlouhodobé stárnutí, tato řešení nevyhnutelně přinášejí vlastní kompromisy (čti - mínusy).
Jak je u Švýcarů dobrým zvykem, zvolili náročnější a lepší cestu - softwarově definovanou architekturu R-2R sestavenou z více paralelně pracujících žebříků. Díky výrobě žebříků na křemíku sdílí všechny rezistory stejný substrát a tepelné prostředí, čímž dosahují stupně přizpůsobení a stability, který žádné diskrétní pole nedokáže udržet. Jádrem tohoto systému jsou výkonné FPGA, které v reálném čase spouštějí naše vlastní algoritmy. Hlavním z nich je PEtER (Polynomial Equations to Enhance Resolution v rámci 5-2R jde o - Probabilistic Element Selection), který nejen zachovává vnitřní přednosti skutečné konverze R-2R – rozlišení, linearitu, bezprostřednost – ale také řídí distribuci spínací aktivity v celé matici žebříků. Tím, že zajišťuje rovnoměrné zapojení všech prvků, PEtER zabraňuje lokálnímu opotřebení, driftu a tepelné nerovnováze, což umožňuje konvertoru fungovat jako soudržný celek. Výsledkem je trvalá přesnost a muzikálnost.
Už to jede už to běží
První fáze převzačíná u hodin - načasování určuje věrnost, takže před převodem jediného vzorku je příchozí proud stabilizován. Krátká vyrovnávací paměť FIFO a dvojice specializovaných VCXO – jedna pro násobky 44,1 kHz, druhá pro 48 kHz – slouží jako lokální časová základna. Umístěním těchto oscilátorů přímo vedle DAC se eliminují chyby způsobené dlouhými signálovými cestami, nebo rozdílnými délkami stop. Proprietární řídicí smyčka pak přizpůsobí hodiny příchozí datové rychlosti s mizivě nízkým jitterem a vynikajícím fázovým zarovnáním. Tím je zajištěno, že každý vzorek dorazí ve správném pořadí, přesně ve správný okamžik.
Další fází je synchronní převzorkování. Jakmile je signál stabilizován, je vynásoben celočíselným faktorem, aby dosáhl 705,6/768 kHz (to je daleko nad hranicí i lidského "netopýřího" sluchu). Posunutím digitálního roll-off do této oblasti mohou CH Presion použít pečlivě vyladěný Besselův filtr 3. řádu - namísto strmých brick-wall filtrů, které jsou potřeba v konvenčních DAC. Zatímco konkurenční filtry rozmazávají časové a prostorové informace v celém slyšitelném pásmu, toto řešenáí zachovává fázovou koherenci, což umožňuje nástrojům zachovat si jejich přirozený útok, rozkvět a dozvuk.
Digitální interpolace
Další fází převodu je digitální interpolace, kde je stabilizovaný a převzorkovaný stream zpřesněn naším vlastním algoritmem PEtER (Polynomial Equations to Enhance Resolution - pokročilý algoritmus pro pro synchronní upsampling a filtraci; na rozdíl od běžných filtrů, které často řeší kompromis mezi předkmity (pre-ringing) a dokmity (post-ringing), využívá spline interpolaci k minimalizaci obou těchto časových zkreslení současně). Konvenční metody se spoléhají na doplňování nulami následované dolnoprůchodovou filtrací – hrubým procesem, který mění i původní vzorky a vnáší do signálu rušivou energii. Aby se tomu vyrovnalo, mnoho výrobců nabízí více možností filtrů (a vaši volbu které blbě vám vyhovuje více - vysvětlili jsme výše, ano jedno z těch blbě je vážně lepší).
Když jsou obě blbě blbě, nezbývá než hledat (vytvořit jinou cestu - správně navrhnout filtr od samého začátku. PEtERovo filtrování založené na splinech zachovává každý původní datový bod a zároveň minimalizuje předběžné i následné zkreslení. Neexistuje žádné menu, žádné dohady ani nutnost vybírat mezi jedním či druhým zkreslením. Místo toho se interpolační fáze chová tak, jak má – signál transparentně zpřesňuje, aniž by rozmazávala vztahy v časové doméně nebo zamlčovala jemné detaily.
Výsledkem je interpolace, která se chová spíše jako přirozené šíření zvuku. Textury se objevují s hmatatelným realismem, harmonické struktury se uzamykají s přesvědčivou stabilitou a dynamické stínování se rozvíjí s nenucenou plynulostí. Zachováním těchto jemných časových prvků PEtER zajišťuje, že hudební tok zůstává koherentní a realistický – překlenuje přechod od dat k hudbě s přesností i grácií. Tak jen pár desítek let - a už máme z digitálu zas zpátky analog - a ironie je, že to není ironie.
Převod na analogový signál
Posledním krokem digitálního přehrávání je převod – okamžik, kdy čísla přestávají být abstraktními daty a stávají se slyšitelnou hudbou. Právě zde se rozlišení, načasování a soudržnost buď zachovají beze změny, nebo se mírně sníží.
Síla přístupu CH Precision spočívá v konzistentnosti. V konvenčním diskrétním poli pracuje každý rezistor v mírně odlišných podmínkách a tyto odchylky se kumulují do driftu a časového rozostření. Monolitická žebříková struktura CH Precision udržuje všechny prvky na stejném substrátu a ve stejném teplotním obalu, což přirozeně zlepšuje uniformitu. Firemní proprietární systém správy prvků PEtER staví na tomto základu a rovnoměrně rozděluje přepínání po celé matici, čímž zajišťuje, že žebříková struktura funguje jako jeden dokonale sladěný převodník. Chyby nejsou přesouvány jinam ani průměrovány – jsou řešeny u zdroje.
Výsledkem je převod, který je nejen přesný, ale také hudebně celistvý. Rozlišení je zachováno bez ztráty, časové vztahy zůstávají neporušené a přechody přicházejí s přirozenou čistotou. Harmonické se uzamknou na svém místě, prostorové signály zůstávají stabilní a dynamika dýchá volně. Věrnost v časové doméně – udržovaná od prvního stabilizovaného vzorku až po poslední převedenou notu – transformuje přehrávání z přesné reprodukce na zážitek.
Ve Switzerland Švýcarsku Swiss Švajčiarsku je vážně krásně - jsou chvíle kdy by člověk chtěl být oligarchou..
