«Как вывести звук с компа»

Компьютер как музыкальный сервер (окончание)

Вопросы и комментарии посетителей сайта

 

 

Многие посетители нашего сайта хотели бы знать, как из персонального компьютера извлечь наилучший звук. В ответ на поступающие вопросы и в соответствии с нашими планами ПК Аудиофил начинает новый проект: «Компьютер как музыкальный сервер». Мы обсудим тему, поднятую Борисом и Фаридом, относительно использования выхода USB, а также ответим на некоторые другие важные вопросы, в том числе:

• Можно ли вообще получить хороший звук с ПК?
• Что мешает использованию компьютера в качестве цифрового источника звука высокой точности?
• Как полностью устранить или хотя бы частично нейтрализовать проблемы качественного звуковоспроизведения с ПК?
• Какой вариант конфигурации компьютера и ПО выбрать?

Мы проанализируем и опробуем различные решения, определим положительные и отрицательные стороны каждого из вариантов.

Первое, что хотелось бы обсудить,  а можно ли вообще получить высококачественный звук с компьютера? На этот вопрос существует простой и однозначный ответ – да, можно. И не только можно, но и нужно использовать ПК в качестве цифрового источника звука, надо только делать это правильно.

Задайте себе вопрос: с использованием какой аппаратуры записывается сегодня подавляющее большинство музыкальных фонограмм на студиях звукозаписи? Правильно, с помощью профессиональных студийных комплексов или цифровых звуковых рабочих станций, основанных на компьютерной технике. На каком оборудовании в студиях производится сведение, а затем прослушивание готовых записей в контрольных комнатах? – На оборудовании, основным элементом которого является опять-таки компьютер.

Можем ли мы, аудиофилы или меломаны, вообще любители музыки, приблизиться к звуку, который слышат звукорежиссеры и музыканты на студии? Уверены, что можем. И это стало возможным в последнее время благодаря развитию инфокоммуникационных технологий.

С точки зрения доступности высококачественных цифровых фонограмм, можно сказать, что уже сейчас с помощью Интернета можно получить много хорошей музыки различных жанров с высоким разрешением (ВР). Это или «бит в бит» копии цифровых мастер-файлов или приближенные к ним варианты с передискретизацией, если, например, оригинал записывался в профессиональном качестве 384 кГц/32 бит или в других цифровых форматах. (Хотя следует заметить, что всё больше бытовых цифровых аудиокомпонентов выпускаются с характеристиками профессиональных стандартов.)

С точки зрения технической – в продаже имеется масса музыкальных серверов и цифровых проигрывателей, которые по звуку и своим характеристикам практически не уступают профессиональной технике. А при наличии знаний, умений и навыков в технической области, и вовсе не фантастических (вполне скромных) сумм, можно сделать музыкальный сервер своими руками.

Так что мы оптимисты, что касается принципиальной возможности извлечения высококачественного звука из компьютера. И в подтверждение этих слов позволим себе сослаться на собственные разработки, представленные в разделе «Музыкальный сервер».

Но если взять обычный компьютер и подключить его к хорошей аудиосистеме, то нас постигнет разочарование – звук не понравится. В чём же дело?

Начнем с того, что сформулируем задачу этого проекта сайта ПК Аудиофил...

Наверное, основной вопрос, на который необходимо ответить прежде всего, может звучать так: что нужно сделать, чтобы компьютер стал цифровым источником, наиболее приближенным по качеству звука к музыкальному серверу уровня high-end? Подчеркнём также, что при рассмотрении различных вопросов в рамках этого проекта мы будем ориентироваться на самые высокие требования к воспроизведению музыкальных файлов ВР.

Далее последовательно рассмотрим различные подходы и варианты, начиная с самого простого.

 

1. Настольный компьютер

 

Посмотрим, вернее – послушаем, как «звучит» обычный настольный компьютер среднего уровня, который мы используем для работы (эти строки набраны на нём), а также для развлечений, например, для просмотра видео.

В комплектацию входит корпус Antec с вентиляторами Noctua (3 шт.) и блоком питания на 550Вт (тоже с вентилятором), системная плата, оптический привод и видеокарта (с вентилятором) ASUS, жёсткий диск Western Digital. ПК работает на ОС Windows 7.

Подключим к компьютеру высококачественную звуковую систему. Для этого воспользуемся аудиовыходами системной платы или на передней панели ПК, которые, кстати, имеют красивое название HD Audio (high definition audio – аудио с высокоим разрешением). С помощью имеющегося в составе ОС Windows 7 программного проигрывателя Windows Media попробуем включить воспроизведение музыкального файла ВР 192 кГц/24 бит формата WAV.

Формат WAV выбран в связи с тем, что он часто используется при записи цифровых фонограмм в студии, и оригинал мастер-записи обычно хранится в этом формате (мы для простоты рассматриваем здесь цифровую звукозапись на основе ИКМ-кодирования). А частота дискретизации 192 кГц и разрядность 24 бит - это максимальные параметры файлов ВР, которые можно получить через Интернет (хотя в последнее время опробуется распространение файлов и с более высокими частотой или разрядностью).

И сразу сталкиваемся с проблемой:  проигрыватель Windows Media, во-первых, не воспроизводит файлы формата WAV, а во-вторых, может работать только с частотами дискретизации  до 96 кГц.

Попутно отметим, что проигрыватель Windows Media не воспроизводит и файлы нужного нам формата FLAC без установки дополнительного подключаемого модуля. И добавим, что не все программные проигрыватели могут работать с файлами ВР. Зафиксируем эту проблему следующим образом:

(А) Обычный программный проигрыватель не воспроизводит файлы ВР.

Вывод: надо использовать специализированный проигрыватель. Загрузим известный нам проигрыватель foobar2000 и включим воспроизведение. Услышанный нами звук никак нельзя назвать высококачественным, – даже описывать его нет никакого желания.

Постараемся проанализировать причины невысокого качества «звучания» ПК.

Первое, на что сразу обращаем внимание, – это акустический шум вентиляторов и жёсткого диска. Вентиляторы корпуса, блока питания, системы охлаждения процессора и видеокарты, без которых не может обойтись обычный настольный компьютер, а также жёсткий диск создают вторую проблему:

(Б) Акустический шум вентиляторов и жёсткого диска.

И хотя в нашем ПК установлены малошумящие вентиляторы Noctua, всё равно шум заметный.

Теперь займемся аудиотрактом. На системной плате нашего компьютера установлена интегрированная аудиокарта на микросхеме ADI AD2000B, которая считается качественной среди других подобных.

Хорошо, что она поддерживает частоты дискретизации до 192 кГц и разрядность до 24 бит. Но плохо, что её технические характеристики довольно слабые: динамический диапазон, например, только 92 дБ, а гармонические искажения+шум – 70,5 дБ.

Понятно, что возможности встроенной аудиокарты, даже самой лучшей, нельзя сравнивать с техническим уровнем не только отдельного ЦАПа и усилителя, но и качественной звуковой карты. Чип размером 7 х 7 мм и толщиной 1мм оснащён таким количеством аудиокомпонентов (в том числе шестнадцатью АЦП и ЦАПами, операционными усилителями для многоканального звука 7.1, цифровым сигнальным процессором, компрессором, эквалайзером и много ещё чем действительно необходимым для ПК), что говорить о высококачественном цифроаналоговом преобразовании и усилении звука, с точки зрения точного звуковоспроизведения, не приходится. Отметим в связи с этим (В) невысокое качество цифроаналогового преобразователя и аналоговых цепей интегрированной аудиокарты.

Большое значение имеет также качество электропитания. Известно, какое серьёзное внимание разработчики высококачественной аудиоаппаратуры уделяют системе питания.  В схемах ЦАПов, например, часто используются раздельные блоки питания для цифровой и аналоговой части схемы, оснащённые большим количеством стабилизаторов. Всего этого нет, конечно, в обычном ПК. Поэтому –  

(Г) Упрощённая система питания, особенно аналоговых цепей звукового тракта, от неприспособленного для звуковоспроизведения БП не может обеспечить необходимое высокое качество электропитания, а, значит, и звучания аудитотракта.

Поскольку с аналоговых выходов на системной плате или лицевой панели ПК, даже при наличии красивого названия HD Audio, получить высококачественный звук не получается, попробуем вывести его в цифровом виде. Начнем с оптического выхода S/PDIF, подключённого к упомянутой микросхеме ADI AD2000B. Кстати, подобным цифровым выходом в настоящее время комплектуются многие системные платы. Соединяем этот выход через отдельный ЦАП с высококачественной аудиосистемой.

И снова сталкиваемся с проблемой: этот интерфейс не пропускает частоты выше 96 кГц. Подберём запись с частотой дискретизации 96 кГц и включим воспроизведение. Констатируем, что и на этот раз звук не радует нас.

В чём же дело? Разберёмся с цифровой частью аудиотракта. Одной из основных причин деградации звука в цифровых источниках является джиттер или фазовое дрожание – кратковременные фазовые отклонения цифрового сигнала от его нормального состояния.  Не вдаваясь в подробности физической сущности этого неприятного явления, отметим только, что джиттер приводит к искажению звука и появлению шумов. Звучание цифрового источника при наличии высокого уровня джиттера становится металлическим, жёстким, или, как часто говорят, «цифровым», особенно на высоких частотах. Низкие частоты теряют упругость. Ухудшается ощущение пространства, уменьшается глубина звуковой сцены, смазываются звуковые образы.

Перечислим основные причины возникновения джиттера при воспроизведении звука с помощью ПК.

(Д) Нестабильность собственного тактового генератора ПК. В отличие от качественных профессиональных аудиосистем, имеющих внутренний или внешний высокостабильный тактовый генератор, в компьютере частоты дискретизации обычно генерируется с помощью программных средств из базовой частоты, получаемой с помощью генератора, не обладающего необходимой для звуковоспроизведения стабильностью. Кроме того, в процессе деления частоты также возникает некоторый джиттер.

(Е) Шум на шине заземления. Импульсные токи, возникающие при одновременном переключении большого числа логических элементов системной платы, приводят к появлению импульсов на шине заземления, которые, в свою очередь, вызывают смещение уровней сигналов и уровней срабатывания схем тактирования.

(Ж) Нестабильность и помехи в системе питания. Нестабильность напряжения или его падение под нагрузкой, которое может происходить в различных частях электрической схемы ПК, приводит к изменению скорости реакции логических элементов, в том числе при цифроаналоговом преобразовании. Колебания питающих напряжений изменяют частоту тактового генератора, а помехи, распространяющиеся по цепям питания (например, от вентиляторов), также приводят к увеличению джиттера.

(З) Перекрёстные помехи.Взаимное воздействие сигналов друг на друга может проявляться как внутри интегральных схем, так и на близко расположенных дорожках печатной платы. Если  по одному проводнику проходит сигнал, а в другом, параллельно расположенном, в это время меняется ток, то такие изменения вызывают отклонение уровня сигнала в первом, сигнальном проводнике. Если это, к примеру, проводник, по которому идёт тактовый сигнал, то такая помеха может повлиять на время прихода тактовых импульсов.

(И) Влияние интерфейсов. В выходном интерфейсе S/PDIF или AES/EBU происходит кодирование двух сигналов (звукового и тактового) в один сигнал, который затем снова декодируется в два раздельных во входном интерфейсе (например, на входе отдельного  ЦАПа). Эти процессы также вносят джиттер. Кроме этого, некачественные «дешёвые» интерфейсы сами могут являться источником высокочастотных шумов.

(К) Электромагнитные помехи (ЭМП).  ЭМП воздействуют на сигнальные цепи и могут генерироваться импульсным источником питания, радиочастотными схемами, процессором,  видеокартой и другими подобными источниками, что вызывает увеличение джиттера.Необходимо подчеркнуть, что если цифроаналоговое преобразование производится внутри компьютера с помощью интегрированной или отдельной звуковой карты, в которой не предусмотрены специальные меры снижения джиттера, то перечисленные выше факторы вносят суммированный вклад в его увеличение. А это, в свою очередь, приводит к искажению звукового сигнала. При использовании отдельного ЦАПа большую роль играет его способность подавлять входящий джиттер и, с другой стороны, способность ПК как цифрового источника выдавать минимальный уровень фазового дрожания сигнала.

Говоря о влиянии ЭМП на увеличение джиттера, нельзя забывать также о прямом воздействии помех на элементы схемы аудиотракта. Известны, например, случаи, когда помехи, вызываемые работой видеокарты и её вентилятора, приводят к серьёзным искажениям звука в виде шума, треска или гула, воздействуя на сигнальные цепи звуковой карты, если карты расположены близко друг к другу, в соседних разъёмах PCI.

Рассмотрим теперь вопросы, связанные с программным обеспечением. Оказывается, что качество цифрового сигнала в значительной степени зависит от того, как работает операционная система и насколько её настройки оптимальны для звуковоспроизведения. Вот только один пример. Во время работы ПК процессор постоянно переключается от выполнения одних задач к другим в соответствии с алгоритмом, который заложен в ОС. Процессы, которые должны обслуживаться процессором в какой-то момент времени, в том числе и те, которые связанны с обработкой звуковых цифровых сигналов, конкурируют между собой за «рабочее» время процессора. И если ОС настроена таким образом, что важные для нас задачи, связанные со звуком, оказываются не первоочередными, то это отрицательно сказывается на качестве аудиосигнала. Можно сказать, что (Л) операционная система компьютера без специальной настройки не приспособлена для звуковоспроизведения.

Нужно также отметить, что, выполняя большой объем «ненужной» (для аудио) работы, процессор и другие элементы схемы компьютера могут потреблять больше энергии и значительно нагреваться. А это, в свою очередь, требует (М) использования шумящих и вызывающих помехи вентиляторов для принудительного охлаждения.

Чтобы настроить ОС для целей звуковоспроизведения должным образом, надо произвести остановку некоторых процессов, которые конкурируют с процессами аудио, мешая им; отключить неиспользуемые элементы; оптимизировать использование ресурсов процессора в первую очередь для аудио; снизить энергопотребление и т.п. Подробно об этом можно узнать на странице нашего сайта с описанием оптимизации ОС Windows 7 для аудио.

Однако это ещё не всё. При внимательном изучении свойств операционных систем можно увидеть, что самые распространенные из них имеют в своей структуре, относящейся к аудиотракту, существенные недостатки, которые не всегда можно преодолеть без использования специализированных звуковых карт и драйверов. В качестве примера рассмотрим упрощённую структурную схему аудиопроцесса в ОС Windows Vista/7, изображённую на приведённом ниже рис. 1.

Рис. 1

Сокращения:

Поток аудиоданных от аудиоприложения (например, программного проигрывателя), проходя через несколько этапов, поступает на аудиодрайвер, который управляет, например, звуковой картой. Направление движения указано стрелками.

Обратите внимание на участок блок-схемы между СРТ и KST. Именно на этом участке аудиоданные подвергаются цифровой обработке различными видами APO (audio processing object, русск. средство обработки аудиосигнала). Каждое APO имеет своё назначение и участвует в выполнении следующих функций:

• регулировка громкости и отключение звука;
• конвертирование разрядности цифрового сигнала, при котором входной сигнал (с разрядностью, например, 16 или 24 бит) сначала переводится в 32-битный с плавающей запятой, а затем обратно, причём это может производиться несколько раз;
• микширование сигналов, когда к исходным аудиоданным могут подмешиваться, например, сигналы звукового сопровождения системных событий ОС;
• измерение максимального уровня сигнала;
• ограничение уровня сигнала.

К сожалению, цифровая обработка сигнала, проводимая ОС на пути его следования от места хранения на жёстком диске до звуковой карты, не только не оставляет сигнал без изменения, но и вносит в него нежелательные коррективы. Поэтому говорить о точном звуковоспроизведении при использовании стандартного ПО компьютера не приходится. Другими словами, (Н) операционная система ПК без использования дополнительных программных средств не позволяет получить неискажённый цифровой аудиосигнал.

Есть ли выход из этого неприятного положения? Да, конечно. Для этого необходимо исключить нежелательную цифровую обработку сигнала, сократив путь от аудиоприложения до аудиодрайвера и направив аудиоданные в обход APO. Это делается с помощью специальных программных средств, например, ASIO. Поможет в решении этого вопроса и использование WASAPI в так называемом исключающем режиме (exclusive mode), драйверов Kernel Streaming или других подобных программных средств. Кстати, способы предохранения цифрового звукового сигнала от внесения нежелательных искажений со стороны различных ОС были разработаны в первую очередь для профессиональной цифровой звукозаписи.

Итак, мы рассмотрели основные недостатки аппаратной и программной части ПК, которые приводят к искажениям аудиосигнала в компьютере. Обозначим способы решения проблем со звуком, сведя их в таблицу.

 

Таблица. Как оптимизировать компьютер для аудио

Проблема		Способы решения
А	Обычный программный проигрыватель не воспроизводит файлы ВР	Установить программный проигрыватель, предназначенный для высококачественного звуковоспроизведения
Б	Акустический шум вентиляторов и жёсткого диска	Б.1 Использовать комплектующие с малым энергопотреблением, чтобы не применять вентиляторы
		Б.2 Оптимизировать ОС для снижения энергопотребления, чтобы не применять вентиляторы
		Б.3 Использовать безвентиляторный БП
		Б.4 Использовать твердотельный накопитель
В	Невысокое качество цифроаналогового преобразователя и аналоговых цепей интегрированной аудиокарты	Использовать отдельную плату цифрового вывода (звуковую карту)
Г	Упрощённая система питания, особенно аналоговых цепей звукового тракта, от неприспособленного для звуковоспроизведения БП	Г.1 Выводить звук в цифровом виде и использовать внешний ЦАП.
		Или Г.2 Использовать внешнюю звуковую карту со своим БП
Д	Нестабильность собственного тактового генератора ПК	Д.1 Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) с собственным тактовым генератором
		Д.2 В дополнение к п. Д.1: использовать внешний тактовый генератор
Е	Шум на шине заземления	Отключить в ОС неиспользуемые процессы и оборудование (для уменьшения количества работающих логических элементов системной платы, вызывающих импульсные токи на шине заземления)
Ж	Нестабильность и помехи в системе питания	Ж.1 Не осуществлять в компьютере цифроаналоговое преобразование, особенно чувствительное к качеству электропитания, – выводить звук в цифровом виде и использовать внешний ЦАП.
		Ж.2 Использовать высококачественный БП со стабильными напряжениями питания
		Ж.3 Использовать системную плату с улучшенными цепями питания
		Ж.4 Использовать специальные фильтры для подавления помех от жёсткого диска, вентиляторов (если приходится их использовать) и т.п.
З	Перекрёстные помехи	Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) со схемным решением, снижающим перекрёстные помехи
И	Влияние интерфейсов	Использовать плату цифрового вывода (звуковую карту) с высококачественными выходными интерфейсами
К	Электромагнитные помехи	К.1 Не использовать видеокарту
		К.2 Отключить оборудование (Wi-Fi, Bluetooth и т.п., если они не используются), которое может являться источником помех
		К.3 Использовать специальные материалы для поглощения электромагнитного излучения внутри корпуса компьютера
		К.4 Использовать системную плату с пониженным электромагнитным излучением
Л	Операционная система компьютера без специальной настройки не приспособлена для звуковоспроизведения	Оптимизировать ОС
М	Использование шумящих и вызывающих помехи вентиляторов	То же, что в пп. Б.1, Б.2, Б.3 и Ж.4
Н	Операционная система ПК без использования дополнительных программных средств не позволяет получить неискажённый цифровой аудиосигнал	Использовать ASIO, WASAPI в исключающем режиме и т.п.

Теоретически вроде бы всё понятно. А как насчёт практической реализации?

Для ответа на этот вопрос мы можем порекомендовать уважаемым посетителям сайта ознакомиться с несколькими реальными разработками, которые реализованы и опробованы нами:

• ПК Аудиофил IV: музыкальный сервер с выходом USB;
• ПК Аудиофил III: цифровой проигрыватель своими руками (архив);
• ПК Аудиофил II: недорогой музыкальный сервер своими руками (архив);
• Музыкальный сервер своими руками (архив).

Если же возникнут какие-либо вопросы по разработке и созданию собственного цифрового источника на базе ПК, мы будем рады помочь.

Хотелось бы ещё добавить к сказанному, что техника не стоит на месте, и выпускаются новые и всё более совершенные комплектующие, программы и периферийные устройства, которые могли бы быть с успехом использованы в музыкальном сервере. Поэтому впереди – создание новых устройств с использованием более совершенных конструктивных решений.