המדריך לאודיו ממקורות דיגיטלים - פרק ב

ממירים מדיגיטל לאנלוג -DAC

במאמר הקודם דיברנו על נושא הדגימה ומספר הביטים במערכת, והפעם נתעכב קצת על הממירים - אותם רכיבים שממירים אותות דיגיטליים וממירים אותם לאותות אנלוגיים. נדבר על איזה סוגי ממירים יש וננסה להבין מדוע הם כה חשובים ומה ההבדלים בינהם.  

מה זה DAC  ולמה צריך אותו ? 

DAC הוא הרכיב שממיר את קבצי האודיו הדיגיטליים לאותות אנלוגיים.  היות שרובנו עושים שימוש במוסיקה שהמקור שלה הוא דיגיטאלי, תמיד יהיה שם רכיב DAC שיבצע עבורנו את פעולת ה"תרגום" החשובה כל-כך, בין אם זה כרטיס הקול במחשב, באייפון, בנגן CD/DVD, ברסיבר או כיחידה נפרדת. מכאן שהשאלה "למה אני צריך בכלל DAC?", הופכת לשאלה "באיזה DAC אני משתמש?" 

"למה צריך DAC כיחידה נפרדת, אם יש לנו כבר אחד במחשב או באייפון?" 

ההסבר הוא פשוט: במחשב הנייד או באייפון קיימות עלויות גבוהות מאוד של מסך, מעבד, לוח אם, זיכרון, כרטיס מסך ועוד מרכיבים רבים שמגולמים בתוך עלות המכשיר. קל להבין שאת עלות ה DAC מנסים לשמור נמוכה ככל שניתן, מה גם שההנחה של רוב החברות היא שרוב האנשים שומעים מוסיקה מכווצת (MP3/AAC וכד') ובמקרה כזה, גם DAC של דולרים בודדים יוכל לעשות איתם עבודה סבירה. לרוב מותקן ממיר בסיסי על לוח האם שלא תמיד תומך בקבצי אודיו ברזולוציה גבוהה ולא ביכולת שיחזור אותות אודיו אנלוגיים באופן מדויק ובמניעת רעשים.

עם זאת, ככל שמתקדמים ברמת הציוד ומתחילים לעבוד עם קבצים ברזולוציות גבוהות יותר (כגון  FLAC 16bit /96khz וכד') מתוך שאיפה להגיע קרוב ככל האפשר לרמת ההקלטה כפי שרצה היוצר של המוסיקה, ה DAC הגנרי שמגיע עם המחשב או הנגן פשוט לא מספיק.

כפי שאנו כבר יודעים הממירים תמיד ממוקמים בהתחלה של שרשרת אותות האודיו, ולכן נדרשת הקפדה יתרה בשלב מוקדם זה על ביצועי הממיר ומניעה של העברת אותות לא רצויים (כגון רעשים, עיוותים הרמוניים וכו') לדרגות הגברת האודיו הבאות, אחרת התוצאה במוצא דרגת ההספק הסופית עשויה להיות הרסנית.

"האם אני צריך DAC חיצוני?"

התשובה היא שלא חייבים, אפשר להמשיך ולהנות ממוסיקה ברמה טובה בהחלט גם עם הציוד הקיים. אך מדובר בחשבון פשוט, הDAC חיצוני הוא מכשיר שכל תכליתו לבצע את "פעולת התרגום" בצורה הטובה ביותר, מכאן גם שמו: Digital to Analog Converter, כך שהעיקרון ש"ככל שמכשיר מתמקד בפעולה ספציפית יותר, כך היא מתבצעת טוב יותר" בהחלט משחק לטובתו.

ייתרון חשוב נוסף בהתקנת ממיר חיצוני, טמון בכך שניתן לבודד אותו מבחינת הספקת המתח ליתר המעגלים בתוך המחשב ולכן תתקבל תגובה יציבה ונקייה יותר מרעשים פנימיים .כיחידות עצמאיות ומאחר ואנו תלויים רק בהם, היצרן חייב להשקיע יותר על איכות החלקים ובין היתר ידאג גם לעיצוב הממיר. 

סוגי חיבורים 

ישנם היום בשוק מגוון גדול של ממירים המכילים מגוון סוגי חיבורים, כאשר הנפוצים הם: 

1. TOSLINK - זהו חיבור אופטי המעביר את המידע בצורה של אור ובכך מתקבל בידוד פיזי בין גופי הציוד.
2. S/PDIF - ראשי תיבות של Sony/Philips Digital Interface Format - זהו כבל קואקסיאלי עם מחבר RCA המעביר את הנתונים  באופן טורי. סוג כזה של מחבר קיים במספר נגני תקליטורים (s‘CD) וותיקים ויאפשר לכם לשדרג באופן משמעותי את עומק הצלילים מאוסף התקליטורים שברשותכם בתנאי שתחברו אותו לממיר חיצוני ברמה טובה.
3. חיבור USB למחשב (Universal Serial Bus).     

       3.   חיבור USB למחשב                              2. חיבור S/PDIF קואקסיאלי עם מחבר RCA                ן 1. חיבור אופטי מסוג TOSLINK

מחזור העברת המידע

אמינות הממיר מתבטאת גם ביכולת להגיב מיידית לכל שינוי שהוא מזהה בכניסה ברמה של ביט בודד, כמו כן תרגום מהיר וללא השהיות של ה״מילה״ הדיגיטלית לערכים האנלוגים המתאימים. בדרגה הסופית של ממיר ה- D/A קיים מרכיב בעל חשיבות עליונה ביותר ונקרא LPF שזה Low Pass Filter, כלומר פילטר שמסנן את תחום התדרים הגבוהים ומאפשר רק לתחום התדרים הנמוך יותר לעבור (אותם תדרי שמע שאנו הגדרנו מראש). לעיתים ה LPR נקרא גם פילטר שיחזור.

כפי שאנו יודעים תחום תדרי השמע של האדם הממוצע הוא בין 20Hz ל-20Khz. תדר הדגימה המינימלי בכדי להמיר אות דיגיטלי לאנלוגי ולשחזרו חייב להיות לפחות פעמיים מתדר השמע המקסימלי שאנו מעוניינים להעביר במערכת, וזה נקבע עפ"י תיאורית הדגימה שנקראת חוק “Nyquist”.

כאשר אנו דוגמים קובץ CD(תקן Red Book – 16Bit/44.1Khz), פילטר השיחזור מכויל באופן כזה שיחסום את כל התדרים החל מ-22.05Khz ומעלה, אתם יכולים לראות שתדר זה נקבע לפי מחצית מתדר הדגימה. בביצוע פעולה זו, הפילטר למעשה מנקה את מדרגות ה"מפלסים" שיצרנו בתהליך הדגימה.   

בתרשים סכמתי זה של ממיר מסוג אסינכרוני (נפרט בהמשך), מתקבל במוצא ה- D/A  אות האודיו עם מאפיינים של גל בצורת מדרגות (ראה צבע ירוק) וזה למעשה הרכיב של התדר הגבוה שנוצר בתהליך הדגימה שחייבים לסנן בכדי לקבל במוצא פילטר השיחזור את אות האודיו המקורי. במוצא הפילטר יתקבל כמובן הגל הנקי בלבד(ראה צבע לבן בגרף).

בזמן שאנו עובדים עם קבצים ברזולוציות גבוהות יותר כגון 96Khz, 192Khz או אפילו 352.8Khz, מבנה ה-LPF  מורכב יותר ומצריך מספר רב יותר של רכיבים אלקטרונים מאחר והוא בנוי באופן כזה שיוצרים מספר גדול יותר של דרגות בכדי לקבל סינון טוב יותר. כמובן שלא ניתן לקבל סינון מוחלט (הרכיבים אף פעם לא אידאלים) אך יחד עם זאת אנו שואפים לכך ככל שהטכנולוגיה מתפתחת.
פילטר LPF מרובה דרגות נקרא "פילטר מסדר גבוה". בתכנון פילטר מסוג זה על היצרן להקפיד שערכי הרכיבים האלקטרונים יהיו בעלי סטייה מינימלית באחוזים עד כמה שניתן (כמובן שזה פונקציה של עלות).

שיטות עבודה

קיימות שתי שיטות עבודה עיקריות באמצעות ממירים מסוג D/A חיצונים:

Adaptive Mode ("מצב מסתגל")

זהו מצב שבו המחשב תופס פיקוד על קצב העברת הנתונים של אות האודיו מהמחשב דרך יציאת ה-USB לכניסת הממיר החיצוני. קצב העברת הנתונים נגזר באופן ישיר מקצב פעולת השעון של בקר ה-USB שבתוך המחשב. בשפה המקצועית שעון זה ישמש כ-“Master” וקצב השעון בתוך הממיר (D/A) ישמש כ-“Slave”, כך שלממיר אין כלל שליטה על העיתוי שבו הוא נאלץ לקלוט את המידע ולכן הוא יצטרך להתאים את עצמו ולשחזר את המידע בקצב שהמחשב ״כופה״ עליו.

תדרי הדגימה הבסיסים של אותות אודיו עפ"י הפרוטוקול שנקבע הם 44.1Khz ו- 48Khz, לעומת זאת תדר עבודה של בקר USB הוא 12Mhz אשר לא מתחלק במספר שלם בכדי לחלץ את תדרי דגימת האודיו הבסיסים. תדר דגימה בסיסי של 44.1Khz מצריך שעון Master של 11.2896Mhz =(44.1Khz x 256 ) ושל 48Khz מצריך שעון עבודה בתדר של 12.288Mhz =(48Khz x 256 ), ולכן בממיר שעובד בשיטת "Adaptive Mode" קשה מאוד לשחזר את תדרי הדגימה הבסיסים של אות האודיו(המשמשים כשעון עבור הפעלת הממיר), וידרשו פעולות מסובכות יותר עבור השחזור. בנוסף, מאחר והמחשב מבצע משימות רבות בו זמנית, יתכנו שינויים בקצב העברת נתוני האודיו דרך בקר ה-USB וכתוצאה מכך יגרום הדבר לתופעה הקרויה בשם "Jitter". תופעה זו גורמת לשינויים של חבילת נתוני האודיו על פני ציר הזמן ולכן התזמון של ביצוע דגימה מסוימת לצורך שיחזור וקבלת הערך האנלוגי (גובה ה-"מפלס") הנכון, יהיה שונה מהמיקום שבו תתבצע אותה דגימה באות המקורי ולכן עלולים לקבל ערכים שונים המתבטאים בשגיאות. 

אנו רואים שקיימת חשיבות עליונה לדיוק השעון בכדי לאפשר לנו לדגום את אות האודיו שמעוניינים לשחזר, בדיוק באותם מקומות על פני ציר הזמן של אותו אות אודיו שנוצר במקור.

בכדי להמחיש את תופעת ה-“Jittering”, תחשבו לרגע שמוסרים לכם סידרה של  כדורי טניס ואתם צריכים לתפוס אחד אחרי השני, וכל כדור נמסר במהירות שונה, קיים סיכוי גדול שתפספסו חלק מהם. לעומת זאת במידה וימסרו לכם במהירות עקבית תדעו לצפות מראש מתי לתפוס כל כדור, ולכן הסיכוי לנפילת הכדורים יקטן באופן משמעותי והכל ירוץ חלק יותר.

Asynchronous Mode (מצב אסינכרוני)

בשיטת עבודה זו ממיר ה-D/A חסין באופן בולט לתופעת ה-"Jittering" מאחר והממיר "מתעלם" לחלוטין מקצב השעון של בקר ה-USB בתוך המחשב. זה מתבצע באמצעות מעגל "חוצץ" (Buffer-ראה סכמה עליונה) היושב בתוך הממיר ותפקידו לבודד את קצב העברת נתוני האודיו ממוצא בקר ה-USB במחשב באופן כזה שהוא משמש גם כמאגר אגירה ומאחסן בתוכו "מנות" (בלוקים) של נתוני אודיו. ה-Buffer מסונכרן יחד עם אותו שעון פנימי המשמש להפעלת הממיר עצמו. תדר השעון הפנימי הוא קבוע ומותאם כבר לתדרי הדגימה שדיברנו עפ"י פרוטוקול האודיו. הממיר מוציא "דרישה" למחשב כדי לקבל מנת נתונים חדשה של אודיו אך הפעם הוא מבצע זאת בקצב שלו. שיטה זו למעשה מבטיחה זרימת נתונים חלקה ומצמצמת את תופעת ה- “Jittering” שקיימת בשיטה הקודמת לכמעט אפס. 

לצורך אנלוגיה נחזור לכדורי הטניס, הפעם אנו נבקש שימסרו לנו כדור, נתפוס אותו ונניח בצד, נבקש כדור נוסף וכן הלאה בקצב ובתזמון מושלם ותמיד נהיה מוכנים לפני שאנו מבקשים את הכדור הבא. מאחר וממיר אסינכרוני שולט על קצב קבלת הנתונים מהמחשב, תופעת ה-“Jittering”  מתבטלת למעשה במהלך השמעת קובץ האודיו. 

לסיכום שתי השיטות,

קיימים מספר גדול מאוד של ממירים העובדים היום בשיטת  "Adaptive Mode” ולכן יש צורך לדאוג למעגלים שיוכלו לטפל ולתקן במידת הצורך שגיאות הנובעות מ-“Jittering”. ממירים מסוג זה בהחלט יכולים לתת לנו צליל גדול כאשר הם מתוכננים נכון ואנו לא פוסלים את השימוש בהם. מצד שני ממירים בשיטת  "Asynchronous Mode" מציעים את הפוטנציאל הטוב ביותר עבור השמעת קובץ מוזיקה ברזולוציה גבוהה.