Крутишь громкость в процессоре вниз, слушаешь тихий хвост реверберации на хорошей записи, и в самом конце звук становится «зернистым», будто рассыпается. Это не фантазия: на совсем малых уровнях цифра начинает врать. Лечится это неожиданно, добавлением шума.
Аналогия: градиент неба на фото
Сфотографируй закатное небо и сохрани его с малым числом цветов. Плавный переход разобьётся на полосы, заметные с первого взгляда. Теперь добавь перед сохранением лёгкое зерно. Полос нет, картинка чуть шумная, но глаз снова видит плавный градиент.
Со звуком то же. Разрядность задаёт шаг «ступенек» по уровню. Громкий сигнал проходит через тысячи ступенек, и ошибка округления похожа на случайный шум. Тихий сигнал занимает одну-две ступеньки, и ошибка начинает повторять форму сигнала. Слух воспринимает её как гармоники и призвуки, а не как шипение.
Посчитаем на тихом синусе
Возьмём 16 бит и синус 1 кГц с амплитудой 1,3 младшего разряда, это около −88 дБFS. Для 16 бит теоретический динамический диапазон по формуле 6,02·N + 1,76 составляет 98 дБ, так что сигнал на самом дне, но ещё внутри.
Без дизеринга в спектре видна лесенка пиков на 3, 5, 7 кГц и выше: ошибка округления стала искажением. С треугольным (TPDF) дизерингом амплитудой ±1 младший разряд пики исчезли, остался ровный шум. Платим за это примерно 4,8 дБ: мощность шума TPDF-дизеринга плюс шум квантования втрое больше одного шума квантования.
Интересный бонус: с дизерингом сигнал слышен и ниже младшего разряда. Он тонет в шуме постепенно, как голос в дорожном гуле, а не обрывается ступенькой. Вандеркой и Липшиц показали это ещё в 1984 году.
Где в автозвуке нужен дизеринг?
При мастеринге: студия переводит 24- или 32-битный микс в 16 бит для CD и добавляет дизеринг. Это уже сделано до тебя. Если трек снова обработать (нормализовать, перекодировать), дизеринг нужен ещё раз.
В звуковом процессоре: DSP считает внутри с большой разрядностью, а на ЦАП отдаёт 24 бита. Цифровая регулировка громкости и эквалайзер тоже меняют разрядность. Грамотная прошивка округляет с дизерингом или с формированием шума. Проверить это без измерений сложно, но есть простой признак: на тихом «хвосте» ноты звук затухает плавно, без треска и «песка».
Формирование шума (noise shaping) идёт дальше: оно сдвигает шум дизеринга в верх диапазона, где слух к нему менее чувствителен. Смотри кривые равной громкости: около 3–4 кГц мы слышим тише всего, а выше 15 кГц чувствительность резко падает.
Слышен ли сам шум дизеринга в машине?
При 24 битах его уровень лежит на −140 дБFS и ниже, и никакой усилитель его не покажет: собственный шум аналоговой части выше. При 16 битах он около −93 дБFS. Даже при громкой настройке это ниже фонового шума салона на ходу. Так что вопрос не «слышен ли дизеринг», а «слышны ли искажения без него». На тихой классике и затухающих нотах бывают.
На чём теряют разрядность
- Снижать громкость в цифре на 40–50 дБ, а усилители держать на максимальном гейне. Разрядность тратится впустую, шум поднимается.
- Перекодировать треки с 24 в 16 бит в редакторе без дизеринга.
- Путать дизеринг с шумоподавлением: он добавляет шум, а не убирает его.
Когда разговор доходит до битов и шума, в чате обычно спрашивают ещё вот что.
TPDF-дизеринг использует шум с треугольным распределением амплитудой ±1 младший разряд, RPDF - с прямоугольным ±0,5 разряда. RPDF убирает гармоники, но оставляет «дыхание» шума вместе с сигналом, TPDF делает шум полностью независимым от музыки. Цена разная: RPDF поднимает общий шум примерно на 3 дБ, TPDF на 4,8 дБ, и в звуке стандартом стал TPDF.
Формально дизеринг нужен при любом уменьшении разрядности, но на 24 битах его шум лежит около −140 дБFS и ниже. Это ниже собственного шума любого ЦАП и усилителя, поэтому в машине разницы с дизерингом и без на 24 битах не услышать. Практически важен дизеринг при переводе в 16 бит, например при записи трека для CD или флешки.
Каждые 6 дБ снижения громкости в цифре отнимают примерно один бит разрядности. Если убавить уровень в процессоре на 48 дБ, от 16-битного сигнала по сути остаётся 8 бит, и тихие места начинают «сыпаться». Поэтому цифровую громкость держат ближе к максимуму, а уровень системы подбирают гейном усилителей.
Обычно нет: у 16 бит теоретический динамический диапазон 98 дБ, и этого с запасом хватает для машины. Шум салона на ходу закрывает самые тихие детали задолго до младшего разряда. 24 бита полезны внутри процессора и при записи, где идёт обработка и пересчёт уровней. Для прослушивания важнее, чтобы трек был без сжатия с потерями и без лишней цифровой регулировки.
Правильное распределение уровней между процессором и усилителями: самый практичный способ не терять разрядность. Как выставлять гейн и цифровые уровни, разобрано в шаге «Настройка системы».
Затухание нот «рассыпается», а ты не понимаешь, где теряются биты? Опиши цепочку от источника до усилителей в чате EBAEVSQ, найдём слабое звено.
Источники
- S. P. Lipshitz, R. A. Wannamaker, J. Vanderkooy, «Quantization and Dither: A Theoretical Survey», JAES, 1992
- J. Vanderkooy, S. P. Lipshitz, «Resolution Below the Least Significant Bit in Digital Systems with Dither», JAES, 1984
- ISO 226:2003, Acoustics: Normal equal-loudness-level contours
- А. П. Ефимов, А. В. Никонов, М. А. Сапожков, В. И. Шоров, «Акустика. Справочник», 1989
См. также: Разрядность (битность), АЦП и ЦАП, Динамический диапазон, дБFS и другие децибелы, Белый шум.