Audio kalitesini asıl artıran örnekleme hızı mı, bit çözünürlüğü mü?

[taydin]

Ses kalitesi ile ilgili internette dolaşan çok yaygın yanlış bilgiler var. Hatta bu yanlış ve yanıltıcı bilgilerin büyük bir bölümü de bizzat audio ürünü geliştiren firmalar tarafından yayılıyor. Odyofil (audiophile) denen ve olabilecek en iyi kalitede audio üreten ekipman meraklısı müşteriler nedeniyle bu konuda çok büyük bir pazar oluşmuş durumda ve yanlış bilginin bini bir para.

Oydofillerin audio kalitesini tarif ederken kullandıkları "berraklık (clarity), ses sahnesi (sound stage), ayrım (separation), çıtır (crisp), otoriter (authoritative)" gibi dangalakça kavramlardan uzak bir şekilde, tamamen ölçüme dayalı bir analiz yapacağız. 1 KHz, -3 dBFS lik bir sinüs tonu içeren bir dosyayı RME BabyFace Pro ses kartının dijital ve analog çıkışlarından çalacağız ve bu tonun da AP525 audio analyzer ile THD+N ölçümünü yapacağız.

İlk test için bit çözünürlüğü olarak 16 bit ve 24 bit, örnekleme hızı olarak da 44.1 KHz ve 96 KHz kullanacağız, ve bunların bütün kombinasyonlarını deneyeceğiz. Dosyalar wav formatında kayıtlı ve audio çalar olarak da Roon kullanıyoruz (ASIO ses arabirimi ile)

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 44.1/16, BabyFace Pro dijital TOSLINK çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 96/16, BabyFace Pro dijital TOSLINK çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 44.1/24, BabyFace Pro dijital TOSLINK çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 96/24, BabyFace Pro dijital TOSLINK çıkışı

 

[taydin]

Buradan şunu net bir şekilde görüyoruz. Tamamen dijital alanda baktığımızda, örnekleme hızını (sample rate) ses kalitesini artırmak için 44.1 KHz in üzerine çıkarmanın neredeyse hiçbir faydası yok. 44.1 KHz lik örnekleme hızı, nyquist kriterine göre 22.05 KHz'e kadar bütün ses bandını eksiksiz olarak örnekleyebilmektedir. Bunun üzerine çıkmanın ölçülebilen bir faydası dahi yok ki, duyulabilir bir faydası olması mümkün değil.

Ama bit çözünürlüğüne gelince iş değişiyor. 16 bit'ten 24 bit'e çıktığımızda, THD+N (total harmonic distortion + noise) değerinin çok iyileştiğini görüyoruz. Yani 16 bit'ten 24 bit'e çıkmanın çok büyük bir ÖLÇÜLEBİLEN avantajı var. Duyulabilen avantaja gelince, işin içine birçok farklı faktör giriyor. Buradaki test tonu bazında düşünürsek, %0.001 distorsiyon ile %0.000007 distorsiyon arasındaki farkı duyabilecek bir kulak yoktur. Ama birçok uygulamada audio için 24 bit kullanmak avantaj sağlamaktadır. Eğer bir müzik kaydını 24 bit olarak yaptıysanız (yani master kayıt 24 bit), bunun üzerinde fazla bozulma olmadan değişik efektler uygulayabilirsiniz. Ayrıca çok yüksek seviyede ve çok düşük seviyede audio içeren müziklerin çalındığı konserlerde, 24 bit kullanımı, bu çok düşük ses seviyelerinin rahat bir şekilde duyulmasını sağlayacaktır.

 

[taydin]

Bir önceki yaptığımız testi, tamamen dijital ortamda yaptık. wav formatında kayıtlı olan ses dosyalarını çalıyoruz, ses dijital olarak audio analizöre ulaşıyor ve tamamen dijital alanda ölçüm yapılıyor. Şimdi aynı testi analog alanda tekrar edelim. Bu wav dosyalarını gene BabyFace Pro ile çalacağız, ama çıkışı analog XLR'dan alacağız ve audio analizörün analog XLR girişlerine vereceğiz.

Gene test için bit çözünürlüğü olarak 16 bit ve 24 bit, örnekleme hızı olarak da 44.1 KHz, 96 KHz ve 192 KHz kullanacağız, ve bunların bütün kombinasyonlarını deneyeceğiz. Dosyalar wav formatında kayıtlı ve audio çalar olarak da Roon kullanıyoruz (ASIO ses arabirimi ile)

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 44.1/16, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 96/16, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 44.1/24, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 96/24, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 192/16, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

1 KHz, -3 dBFS, 192/24, BabyFace Pro analog XLR çıkışı

 

[taydin]

Analog alanda işler biraz değişiyor. Hem wav dosyasındaki verilerin analoga dönüşmesi hem de analog verilerin tekrar dijitale dönüşmesinde devreye giren ADC ve DAC'ların performansları test sonucuna yansıyor. Nyquist kriterine göre 44.1 KHz bütün ses frekans bandındaki sinyalleri eksiksiz örnekleyebilir dedik, ama örneklenmiş olan bu veriler tekrar analoga dönüştürülürken kullanılan ve DAC'ın çıkışında yer alan "antialiasing" filtresinin performansı, örnekleme hızına göre farklılık gösteriyor.

Neticede analog alanda baktığımızda, hem örnekleme frekansı, hem de bit çözünürlüğünün THD+N oranında faydası olduğunu görüyoruz. Ama ne kadar faydası olmuş? En kötü durum olan 44.1/16 da %0.013 olan distorsiyon, en iyi durum olan 192/24 de %0.00082 olmuş. Yani 15 kat bir ÖLÇÜLEBİLEN iyileşme var. Ama duyulabilen bir iyileşme var mıdır? Bence yoktur. Piyasadaki %0.01 distorsiyona sahip bir amfi bulmak çok çok zordur. Çok iyi olarak bilinen ve elimde buluan Marantz PM6005'in distorsiyonu %0.08

Hadi diyelim %0.01 lik amfi buldunuz. Hoparlörün veya kulaklığın distorsiyonu ne olacak? Vücudunuzdan bir organ satmadan %0.5 lik distorsiyona sahip kulaklık veya hoparlör bulabilirseniz ne ala, ama çok zor

Yani neticede 44.1 KHz 16 bit olan CD kalitesindeki müzik, insan için yeterince kalitelidir. Fazlasının somut bir yararı yoktur. Vardır diyenlere gözü kapalı olarak 192/24 ve 44.1/16 müzik dinletip hangisi hangisidir diye sorun bakalım, bilebilecekler mi

 

[taydin]

Dinamik band genişliği kavramı literatürde farklı işlenmektedir. İnsan kulağının üst duyma frekansı 20KHz olarak bildirilmiş olsa da daha yüksek dinamik alan sunabilen sistemlerde daha yüksek frekans ların algılanmış olduğu kanıtlanmıştır.
Kendimi örnek olarak vermem gerekirse.
Bir kulak burun boğaz hastanesinde yaptırmış olduğum saf duyma testinde 6db zayıf olarak 17.5KHz lik frekansı zor duymaktayım. Daha üst frekanslarda ise tıbben benim kulağım sağır
Ancak 110dbA dinamik alan sağlayabilen bir müzik sisteminde geniş band EQUALIZER kullanmak suretiyle ve EQ'nun 22KHz bandını artırıp azalttığımda aradaki farkı algılayabilmekteyim. EQ ayar sahası +/-12db dir.

Endüstride olması gerekenden daha yüksek örnekleme kullanma trendi var hakikaten. Bunu da şöyle gerekçelendiriyorlar: DAC çıkışındaki "antialiasing" filtresi, temelde bir low pass filtredir. Eğer 44.1 KHz'de örnekleme yaparsan, low pass filtre kesme frekansını 22 KHz yapman lazım. Ama LPF'ler kesim frekansı civarında biraz yayvanlaşır, o yüzden 22 KHz'de kesen bir LPF, 20 KHz'in de bir bölümünü götürür

Ama eğer 96 KHz'de örnekliyorsan, LPF nin kesme frekansı 48 KHz de olacaktır, ve bu LPF, 22 KHz'de herhangi bir olumsuzluk yaratmayacaktır. İşte işin teorisi bu. Ama ölçümleri yapınca gördük ne kadar faydası olduğunu

 

[taydin]

Eğer odyofil isen, para da varsa, %0.001 olan distorsiyonu %0.0005 e düşürmek için 10,000 doları mutlaka verirsin. Mesele bunun duyulabilir olması değil. Mesele "bende %0.0005 distorsiyonlu müzik sistemi var" deme hakkı.

 

[taydin]

Bir stereo ses sistemi 16 bitlik AD/DA dönüşüm yapıyorsa, her bir kanalda 16 bitlik ADC/DAC var demektir. Yani 16 bit kanallar arasında paylaşılmaz. Ayni şey 7.1 sistemlerde de geçerlidir. Her bir kanal 16 bittir.

6 Vpp lik bir sinyal için düşünelim:

8 bit: 6 / 256 = 23.4 mV çözünürlük
16 bit: 6 / 65536 = 91.5 µV çözünürlük
24 bit: 6 / 16777216 = 0.35 µV çözünürlük. 24 bit ile artık arka plan gürültü tabanındayız, sistemin çok dikkatli bir şekilde düşük gürültüye göre tasarlanması lazım. Şaseleme, ekranlama ve güç kaynağı tasarımı çok iyi olmalı.

 

[taydin]

Örnekleme derinliğini ADC sağlayabilse bile DSP bu değeri işleyebilir mi bilemiyorum.
Sonuçta sadece sesin örneklenmesi hususu değil, gürültülerin de örneklenmesi sözkonusudur.

Eskiden bu bir sorundu. mesela 16 bitlik DSP var ama sample'lar 20 bit. Bu tip DSP'lerde "accumulator" denen ve tüm yüksek performans işlemlerin yapıldığı registerler vardı ve DSP 16 bit de olsa, accumulator'da ilave bitler vardı. Mesela 24 bit. Texas Instruments'in DSP'leri için baya assembly program yazdım, tam bir gavur işkencesi

Ama şimdi artık 32 bit DSP'ler o kadar yaygın ki, kimse accumulator ile falan uğraşmıyor. C/C++ da yazıyor adam programı bitiriyor işi.

 

[taydin]

PCM verinin iletimi ile ilgili bir standart olabilir o abi. O kadar çok standart var ki. Mesela SPDIF ve TOSLINK için kullanılan AES formatının bir frame'i var. I2S de bir frame var. TDM'de bir frame var. Hepsinde de bit sayısı farklı

 

[taydin]

İki tane bağımsız 16 bit çıkış üreten ADC varsa, bunların bir şekilde birleştirilip PCM bitstream haline getirilmesi lazım. İşte bu işi yapan devre belirleyecektir kanalların nasıl paketlendiğini ve her bir kanalın yerinin nasıl belirlendiğini.

Ama audio uygulamalarında büyük çoğunlukla iki ayrı ADC yoktur. Onun yerine belirli sayıda kanal işleyebilen tek ADC kullanılıyor. İki kanal işleyen ADC'ler I2S formatından PCM çıktı üretiyor. Daha fazla kanal işleyen ADC'ler de genelde TDM formatında PCM çıktı üretiyor.