Schimba sunetul DAC-ului folosind filtre audio digitale

In ziua de astazi destul de multe convertoare digital-analogice (DAC) sunt vandute cu optiunea unor filtre digitale audio concepute de inginerii din spatele produsului. Tot ce are de facut utilizatorul este sa apese un buton pe telecomanda si sa aleaga unul din filtrele puse la dispozitie de producator. De asemenea mai exista si varianta in care cumparati un convertor digital analogic cu filtre proprietare, iar producatorul face tot ce poate sa promoveze acest amanunt. Sa nu va inchipuiti ca exista un filtru digital perfect. Alegerile producatorilor  sunt un compromis, iar  la final primim un text in care producatorul lauda precizia spectrala a frecventei, exactitatea temporala sau cateva descrieri subiective. 
Este foarte bine ca unii producatori  ofera accesul la un set de filtre digitale audio, dar cum ar fi daca voi ati putea sa va faceti propriile filtre digitale, sa alegeti ce fel de sunet preferati. Sunt sigur ca v-ar placea. Pentru ca in fond asta inseamna audiofilia. Fiecare incearca, folosind propriile metode, sa afle ce inseamna sunetul corect. Din acest motiv ascultam la prieteni si dealeri diferite sisteme audio, sau testam acasa potrivirea unei surse digitale cu amplificatorul, daca amplificatorul se potriveste cu boxele, ce cabluri sunt potrivite in sistem, etc. 

In articolul de astazi am sa va povestesc cum puteti modifica sunetul convertorului digital-analogic pe care il aveti acasa si totodata sunetul intregului sistem. Pentru acest lucru avem nevoie de un set generic de filtre digital audio,  care sa ne permita modificarea parametrilor de procesare audio si sa fie gratuit. Din fericire acest set de filtre exista si se numeste SoX  (the Swiss Army knife of sound processing programs). Sunt convins ca majoritatea cititorilor acestui articol nu au cunostinte suficiente pentru implemantarea acestor filtre intr-un player audio digital, asa ca am sa va ofer cateva variante care au incluse in componenta filtre SoX: 
⦁    Foobar (player audio digital gratuit)
https://www.foobar2000.org/
⦁    Audirvana (player audio digital cu un pret de 370 de lei)
https://audirvana.com/windows/
⦁     JRiver versiunea MC22 (player audio digital cu un pret de 280 lei). 
https://jriver.com/

Pentru a putea folosi filtrele SoX aveti nevoie de cateva informatii de baza. Acestea sunt upsampling, Nyquist, aliasing, antialiasing si faza de filtrare a semnalului. SoX este un instrument open source pentru procesarea digitala a semnalului audio.  Esantionarea se poate face in mai multe moduri, inclusiv interpolarea liniara quadratica sau parabolica. Exista, de asemenea, metode mai complexe de esantionare care pot fi utilizate. Nu am idee ce metoda sau metode folosește SoX. 

Upsampling-ul creste rata de esantion a fluxului de date. De exemplu, esantionarea de 2X a unui semnal cu o rata de 96 kHz il transforma intr-un semnal de 192 kHz, dar este doar o estimare, deoarece este imposibil sa recreezi puncte de date care nu sunt acolo. Avantajul esantionarii este cresterea frecventei Nyquist.

Frecvența Nyquist este frecvența maxima ipotetica a semnalului audio care poate fi codata la o rata de esantion data. Conform teoremei de esantionare, frecventa Nyquist este exact jumatate din rata de referinta. Daca am avea un filtru perfect,  in teorie, este posibil sa recuperam semnalul intr-o proportie de 100% din frecventa Nyquist. Filtrele digitale pot fi proiectate pentru a imita o curba de raspuns a frecventei ideale, care este plana pana la frecvența Nyquist si zero deasupra acesteia. Singura limitare este lungimea filtrului. Filtrele mai lungi determina un decalaj intre semnalele de intrare si de iesire si necesita mai multa putere de procesare.

Aliasing-ul se refera fenomenul prin care frecventele aflate peste limita Nyquist, ultrasunetele,  se pot strecura dincolo de filtrul aplicat in zona audibila, din cauza diferentei dintre frecventa reala si frecvența Nyquist.  In mod ideal, aliasing-ul poate fi prevenit prin filtrarea acestor frecvențe. 

Antialiasing-ul este folosit pentru detectarea si filtrarea componentelor semnalului alias. Din pacate se poate intampla ca prin acest procedeu sa se piarda si o parte din semnal. 

Faza de filtrare, modul in care alegem sa filtram semnalul. Exista doua posibilitati de baza de la care se poate pleca, plus o combinatie intre cele doua:
⦁    Faza inferioara (spre minima) impinge oscilatiile spre sfarsitul impulsului
⦁    Faza superioara (spre liniara) oscilatiile apar aproape de inceputul impulsului.
⦁    Faza intermediara este o combinatie intre cele doua faze

Pornind de la cele doua variante de filtrare se pot crea o multime de filtre. Am sa va ofer doua exemple extreme. Un filtru cu valoare minima si unul ultra-liniar.
1.    Minim Phase – Forced upsampling x2 (sau alta valoare de upsampling),  SoX filter bandwidth (%Nyquist) 95,  SoX filter max. length 30000,  SoX filter anti-aliasing  100,  SoX filter phase minim 0.
2.    Ultra-Liniar - Forced upsampling x2 (sau alta valoare de upsampling),  SoX filter bandwidth (%Nyquist) 99.5,  SoX filter max. length 30000,  SoX filter anti-aliasing  100,  SoX filter phase minim 100.
Atentie un filtru ultra-liniar consuma resurse foarte mari. Pentru a testa acasa un asemenea filtru aveti nevoie de un procesor Intel I7. De asemenea va avertizez ca auzul uman nu este liniar. Din acest motiv sunt sanse destul de mari ca un filtru ultra-liniar sa nu va placa.

Te-ar mai putea interesa si urmatorul articol:

SoX  Foobar
Ati ales sa folositi Foobar pentru a modela sunetul convertorului digital analogic pe care il aveti acasa. Descarcati softul si il instalati.
Apoi descarcati setul de filtre SoX de la adresa http://sox.sourceforge.net/    si il instalati. Deschideti Foobar, instalati SoX ca si componenta folosind urmatorii pasi: apasati butonul File / Preferences / Playback / DSP Manager / Resampler V / apoi apasati sageata care activeaza aceasta componenta din zona pasiva (aici sunt listate mai multe componente) in zona activa (aici este o zona goala sau sunt componentele instalate de voi inainte). Dupa ce Resampler V este afisat in casuta din Foobar cu component active, apasati Resampler V / Configured Selected / si pe monitor apare  o casuta cu diferite setari. 
In partea stanga a casutei de setari avem parametrii de functionare:
Algorithm type – SoX / SSRC (selectati SoX)
Phase response – Minimal / Intermod / Linear (selectati ce preferati)
Pass band – de aici incepe filtrarea frecventelor (95% corespunde unei valori de 20,95 kHz cu esantionare  44,1 kHz)
Stop band – aici se termina filtrarea frecventelor 
In partea dreapta avem posibilitatea sa alegem frecventa de baza pe care dorim sa o resantionam. Acest lucru se poate face in doua variante.
⦁    Prima varianta este generica – alegem in Source o frecventa de baza si apoi tinta pentru resantionare.
⦁    A doua este specifica – avem un tabel cu 2 frecvente de baza pe care il modificam manual.

SoX  Audirvana
Ati ales sa folositi Audirvana pentru a modela sunetul convertorului digital analogic pe care il aveti acasa. Descarcati Audirvana de la adresa…. Si il instalati.
Intrati in setari, cautati butonul Upsamplig, activati optiunea. 
⦁    Force upsamplig  type - alegeti din variantele afisate; (ex: x2 only, DSD 128, etc.)
⦁    SoX filter bandwidth – 95% este valoarea cu care vine Audirvana si corespunde unei valori de 20,95 kHz cu esantionare 44,1 kHz.
⦁    SoX filter Max. Length - 30000 este valoare maxima
⦁    SoX Filter Anti-Aliasing - 100 este valoare maxima
⦁    SoX Filter Phase (Min. Phase to Linear) - 0 este valoare minima si 100 maxima

La final am sa va ofer un exemplu de filtru cu care am experiementat eu cateva zile folosind Audirvana SoX. Am coborat latimea de banda la 90%, corespunzator unei valori de 20,25 kHz, am selectat Filter Phase Minim la 0, am pastrat Max. Length si Anti-Aliasing la valorile maxime. Sunetul s-a modificat evident. Am avut senzatia ca ascult muzica la magnetofon / casetofon. Frecventele audio de la capete au ramas fara energie. Sunetul a devenit moale, catifelat si rotund. 
Audirvana SoX
⦁    Force upsamplig  type – x2
⦁    SoX filter bandwidth – 90%
⦁    SoX filter Max. Length – 30000
⦁    SoX Filter Anti-Aliasing - 100
⦁    SoX Filter Phase – 0 / Minim Phase

Acelasi filtru pe Foobar arata in felul acesta:
Foobar
⦁    SoX Pass Band – 90%
⦁    SoX Stop Band – 100%
⦁    SoX Phase Response – Minimal
⦁    SoX SB Attenuation – (-120 dB)
⦁    Resampling Frequencies – Source 44100 / Target 88200

Va invit si pe voi sa experimentati, si daca doriti, sa impartasiti cu ceilalti experienta voastra sonica cu aceste filtre audio digitale. De asemenea, daca aveti nelamuriri puteti sa imi scrieti in privat.

Articol scris de Robert Flescan