Цифровой звук: DSD vs PCM
Цифровой звук. Как же много мифов крутится вокруг этой фразы. Сколько споров возникало между любителями удобства и качества цифры и приверженцами «живого воздушного» винилового звука помноженного на «тёплое ламповое» звучание. Кроме того, есть немало споров и между любителями «цифры»: достаточно ли 16х44.1 или нужно 24х192? Что лучше: мультибит или дельта-сигма? CDDA или SACD? PCM или DSD? В этой статье я попробую простым языком изложить азы цифрового звука, а так же более подробно остановлюсь на сравнении двух типов кодирования аналогового сигнала в цифровой: DSD и PCM.
Для начала ответим на вопрос, что есть цифровой звук? Чем он отличаются от аналогового? Если говорить кратко, математическим языком, аналоговый звуковой сигнал — непрерывная функция, цифровой звуковой сигнал — дискретная функция. Что это значит?
Аналоговый сигнал
Если нарисовать в воображении график синусоиды (именно так в чаще всего изображают звуковую волну): то, как бы мы его не увеличивали, стараясь рассмотреть все детали, — всегда будем видеть плавную гладкую линию: это аналоговый звуковой сигнал (рис. 1).
Рис. 1. Аналоговый сигнал
Аналоговый звук (запись) имеет множество параметров, с помощью которых можно оценить его качество. Рассмотрим три самых важных: частотный диапазон, динамический диапазон, искажения.
Частотный диапазон — набор частот, содержащихся в звуке. Принято считать, что частотный диапазон человеческого слуха 20… 20.000 Гц (иногда указывается 16 — 22.000 Гц). Сам по себе частотный диапазон музыки никакого интереса в плане оценки качества не представляет (к примеру, частотный диапазон все того же взлетающего самолета будет очень широк, а вокальной партии тенора — намного уже). Качественным параметром, скажем, наушников является потенциальный частотный диапазон, а оценивается он с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Идеальная АЧХ — прямая линия на всем диапазоне частот слуха – означает, что источник звука не усиливает и не ослабляет какие-то отдельные частоты, а значит извлекаемый звук совпадает с оригиналом.
Рис. 2. АЧХ MP3 файла 256 kbps
Динамический диапазон (ДД) — разность между самым тихим и самым громким звуком. Измеряется громкость в децибелах (дБ). Принято считать, что максимальная громкость, не наносящая травм человеку — это 130 дБ — звук взлетающего самолета, а минимальная слышимая громкость — 5… 10 дБ — на уровне шелеста листьев в маловетреную погоду. Естественно, что шелест листьев на фоне взлетающего самолета разобрать будет невозможно, да и слушать музыку с уровнем 130 дБ крайне неприятно. Поэтому принято считать, что комфортный ДД для прослушивания музыки — 80… 100 дБ.
Искажения – не что иное, как отклонение сигнала от оригинала.
Принципы представления звука в цифровом виде
Что же происходит при оцифровке аналогового звука? Не будем углубляться в технические аспекты, разберем все, как говорится, на бумаге: для этого нарисуем нашу воображаемую «идеальную» синусоиду и будем измерять величину сигнала через равные промежутки времени (этот процесс называется дискретизацией или квантованием): мы получим некий последовательный набор значений — это и будет наш цифровой сигнал, полученный методом импульсно-кодовой модуляции (PCM) (рис. 3).
Рис. 3. Преобразование аналогового сигнала в PCM
Два основных параметра качества PCM сигнала — это частота и разрядность. Частота — это количество измерений за одну секунду, чем их больше — тем с большей точностью передаётся сигнал. Частота измеряется в герцах: 44100 Hz, 192000 Hz и др. Разрядность — количество возможных значений величины сигнала (точность передачи величины). Чем больше вариантов — тем больше точность сигнала. Разрядность измеряется в битах: 16 bit (65.536 возможных значений, ДД 96 дБ), 24 bit (16.777.216 значений, ДД 144 дБ) и др.
Рис. 4. Преобразование аналогового сигнала в DSD
Такой вид представления цифрового звука называется импульсно-плотностной модуляцией, чаще всего для него используется аббревиатура DSD. Фактически, единственный качественный параметр такого сигнала — частота. Но так как частоты используются очень высокие (от 2.822.400 Hz), такие цифры сложно запомнить, принято делить частоту DSD сигнала на 44.100 Hz. Полученное число и является показателем качества: DSD64 (ДД 120 дБ), DSD128, DSD256 и т.д.
Восстановление аналогового сигнала из «цифры»
Но оцифровка аналогового сигнала – это полдела. Для прослушивания цифровой музыки нужно выполнить обратное преобразование. Для начала рассмотрим, каким образом превратить в звук цифровой DSD поток. Как мы уже знаем, этот поток представляет из себя высокочастотный (2,8 МГц и более) двухуровневый сигнал, средняя величина этого сигнала меняется со звуковой частотой. То есть, если подходить к решению задачи максимально просто, — нужно отфильтровать все высокочастотные составляющие DSD потока, оставив только полезный звуковой сигнал (частоты до 20. 22 кГц). Делается это с помощью аналогового фильтра низкой частоты (ФНЧ). Простейший ФНЧ – это RC цепочка. Сигнал полученный, после прохождения этой цепочки, показан на рис. 5.
Рис. 5. Восстановление аналогового сигнала из DSD
Как видим, полученный график лишь отдаленно напоминает исходную синусоиду. Но не забываем, что мы «применили» простейший фильтр, улучшая схему фильтра можно добиться практически полного отсутствия высокочастотного шума и получить аналоговый звук с хорошими качественными показателями.
Для восстановления аналогового сигнала из цифрового PCM недостаточно только лишь аналогового ФНЧ, нужно предварительно расшифровать цифровые данные, для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАПы). Бывают они разных типов, но описывать их все в задачи данной статьи не входит. Остановимся на 2-х самых распространённых типах в звуковой технике. Во-первых, это так называемый ЦАП лестничного типа (его ещё называют мультибитным). Как вы, наверное, догадались, такой ЦАП преобразует PCM поток цифровых данных в поток величин звукового сигнала, которые на графике выглядят как лестница (рис. 6). Как и в случае DSD, обязательно использование аналогового фильтра для сглаживания «ступенек».
Рис. 6. Восстановление аналогового сигнала из PCM
Зачастую, в таких преобразователях используется промежуточная передискретизация цифрового PCM сигнала в более высокие значения частоты (например, 192 кГц): это уменьшает «ступеньки», что позволяет упростить схему аналогового фильтра.
Второй тип ЦАП – дельта-сигма – использует передискретизацию в ещё большие значения частоты с одновременным уменьшением разрядности до одного бита. Ничего не напоминает? Это же знакомый нам DSD сигнал! Как далее обработать такой сигнал и превратить его в аналоговый, мы уже рассматривали выше.
Применение PCM и DSD, достоинства/недостатки
Где же мы можем встретить каждый из способов кодирования? PCM формат очень распространён: CDDA диски, DVD Audio, файлы MP3, FLAC, ALAC, AAC, звук в фильмах, и далее, и далее, проще сказать, когда не-PCM. Super Audio CD диски, DSD диски, файлы DSF, DFF — это DSD формат. Что же всё-таки лучше? При воспроизведении какого формата мы получим более качественный звук?
В статьях, посвященных DSD формату, описано множество преимуществ перед PCM, но все ли описываемые преимущества верны или это мифы, придуманные для обывателей, не разбирающихся в технической составляющей, чтобы отвоевывать рынок, плотно занятый PCM форматом? Давайте кратенько пройдемся по списку.
Рис. 7. Динамический диапазон / шум при преобразовании между DSD и PCM
PCMflash
С 21.12.2020 по 28.12.2020 действует скидка 10% на приобретение модулей к загрузчику PCMflash.
Уважаемые покупатели, обращаем ваше внимание на то, что в период с 29.12.2020 по 3.01.2021 включительно не будут производиться активации модулей PCMflash.
Очередное обновление ПО PCMflash 1.2.3: в новой версии произведен ряд изменений.
Уважаемые покупатели, обращаем ваше внимание на то, что в период с 17.08.2021 по 31.08.2021 включительно разработчик PCMflash будет находиться в отпуске. В активации модулей PCMflash возможны задержки до 3х (трех) рабочих дней.
PCMflash — программный комплекс, предназначенный для работы с ЭБУ двигателя и АКПП автомобилей Volkswagen, Skoda, Ford, Mazda, Mitsubishi, Nissan/Infiniti, Subaru, Honda/Acura, Hyundai/Kia, Renault, Toyota/Lexus, Citroen/Peugeot и др. Имеются универсальные модули Continental SID208 PSA, Denso SH705x Bootloader и BSL TriCore. Поддерживается работа с адаптером ADS (версия 1, не для всех ЭБУ), а также любым J2534 совместимым адаптером, при наличии соответствующих драйверов и библиотек. Протестирована работа с OpenPort 2.0, Mongoose JLR, MongoosePro JLR, Teradyne GNA600 (VCM 1), Mazda VCM 2, Сканматик 2 PRO. ПО поставляется по модульному принципу и отличается простым, лаконичным интерфейсом. Для защиты от несанкционированного использования применяется ключ производства Guardant.
Поддерживается запись как заводских (vbf, GDS) так и бинарных файлов (bin). Поддерживается конвертация файлов из VBF/GDS в BIN если ЭБУ не поддерживает чтение. Для большей части модулей, при записи бинарных файлов возможна проверка и корректировка контрольных сумм (КС), а также перенос VID блока (если требуется).
Указана цена электронного ключа, пользователь может выбрать любой из доступных модулей (любую комбинацию модулей). Ключ без модулей не продается!
В случае утери ключа модули не восстанавливаются. Необходимо приобретать ключ и модули повторно.
Обращаем ваше внимание на то, что в выходные и праздничные дни могут не производиться активации модулей PCMflash. Покупайте необходимые модули заранее!
Ознакомиться с лицезионным соглашением с пользователем Вы можете по этой ссылке.
Активация
Первый модуль после покупки нового ключа активируется без указания серийного номера путем пересылки активационных кодов. Сгенерировать код и ввести ответный можно с помощью утилиты «GrdTRU.exe», программа и инструкция высылаются при получении ключа. Для этого после получения ключа напишите нам на e-mail: mail@ecutools.ru
Для работы программы требуется авторизация связки «аппаратный ключ защиты» и ПК. Авторизация осуществляется в автоматическом режиме через сеть Интернет при выполнении первой операции c ЭБУ. Ключ при необходимости можно использовать на нескольких ПК.
Техническая поддержка осуществляется производителем.
По умолчанию отправляются ключи большого формата. Если вам необходим ключ мини-формата, указывайте это в комментарии.
Новые форматы оптических модулей
Предисловие
Рост трафика приводит не только к увеличению скоростей передачи, но и повышает требования к плотности портов. Общая тенденция наглядно представлена в таблице 1. Самый многочисленный объем оборудования и оптических модулей, это уровень доступа и агрегации.
Таблица 1. Общие тенденции потребления трафика
| Позиционирование оборудования | 2012-2015 | 2016-2018 | 2019-2020 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Уровень доступа | =100Мб | 100 Ядро сети строят сразу с запасом, так что модернизация его происходит эпизодично и потому появление новинок высокоскоростных модулей отслеживают немногие. Но информация эта нужна и важна, поэтому мы решили собрать данные о новинках в одном месте. Скорость передачи 1/10GНаиболее дешевые модули, которые массово хлынули на рынок, совмещают в себе «оптимизацию» цены 2 и 3 этапа. В начавшейся гонке демпинга цен, приняли участие и основные игроки рынка. К «оптимизации» производства, которую мы рассмотрели ранее, серьезные производители прибегать не стали, но качество используемых компонентов снизилось. Что, в целом, сказалось на запасе «прочности» для модулей. Скорость передачи 2.5/5GВ период с 2020 по 2022 год планируется выход на массовый рынок коммутаторов с портами 2.5G. Самыми массовыми потребителями данного сегмента станут операторы мобильной связи, которым придётся обеспечивать работу 5G-сетей. За ними потянется корпоративный сектор с коммутаторами для ЛВС и подключениями Wi-Fi-устройств стандарта 802.11ax. Использование клиентских портов 2.5G операторами фиксированной связи в ближайшие годы будет незначительным. Переход на них стоит ожидать по мере массового распространения видео в формате 8К и 16K. Оптические модули под данный сегмент выпускаются в форм-факторе SFP. К уже существующим модулям добавятся SFP с медными портами 2.5GBASE-T с дальностью передачи до 100м. Анонсирован выход и модулей 5G, но пока ни один производитель не анонсировал оптических модулей с данной скоростью. Скорость передачи 16G – 32GВ данной нише используется форм-фактор SFP в модификациях SFP16 и SFP28. Конструктивно они почти не отличаются от модулей 10G. И, благодаря относительной простоте технологии, «старшие» модули активно будут вытеснять своих «младших» собратьев. Уже с 2020 года появятся коммутаторы для уровня распределения, имеющие нисходящие порты на 2.5G (клиентские) и восходящие на 25G (uplink). Также, под уровень агрегации появятся коммутаторы с нисходящими 25G-портами и восходящими на 100G. Наиболее востребована данная ниша для корпоративного сектора, операторов ЦОД и контент-провайдеров. Это, в первую очередь, подключение серверов и систем хранения данных. Возможные варианты модулей сведены в таблицу 2. Таблица 2. Варианты модулей 16-28G
Скорость передачи 40G – 56G
Наращивать скорость передачи можно за счет увеличения частоты сигнала и способа модуляции. Современная элементная база позволяет обеспечить передачу в один поток не более 25 Гбит/с (при кодировке NRZ). Более высокие скорости уменьшают стабильность и резко увеличивают стоимость. Для решения данной проблемы было решено передавать одновременно нескольких каналов, что привело к появлению новых форм-факторов оптических модулей, таких как CFP и QSFP+ (Quad SFP+). В настоящее время CFP 40G крайне непопулярен и практически не используется. Поэтому, рассуждая о 40G-модулях, мы будем иметь ввиду именно QSFP+. Такие модули используются в агрегации и ядре сети, для стекирования коммутаторов. Также, формат 40G популярен среди операторов ЦОД, использующих сервера с сетевыми картами 10G. В зависимости от дальности, на которой должны работать модули, используют параллельную и частотную способы передачи. Параллельная передача
Для передачи используют 4/8 пар волокон. Для этого применяются патчкорды MPO, которые могут иметь 8/12/24 волокон. При этом, для передачи 40/100G используется только 8, а для 400G – 16 волокон. Для совместимости оптические модули имеют MPO-разъемы формата MPO-12 или MPO-24 (рисунок 1). Схема распределения оптических волокон показана на рисунке 2.
Рисунок 1. Разъем MPO оптического модуля 40/100G
Рисунок 2. Схема распределения каналов для MPO При выборе патчкорда следует учитывать, что он должен быть типа «мама». Для SR4 модулей используется мультимодовый, кроссовый, патчкорд с полировкой UPC. Визуально он должен иметь цвет экстрактора голубой (aqua) и цвет кабеля голубой (OM3) или фиолетовый (OM4).
Для PSM4-модулей используются одномодовые патчкорды с разъемами типа «мама» и полировкой APC. Визуально патчкорд должен иметь зеленый экстрактор и желтый кабель. Частотная передача
Среди 40G-модулей хочется обратить внимание на нижеследующие модели: QSFP+ SR2В предложениях поставщиков можно встретить название QSFP+ BiDi. В отличие от классического 40G-модуля, в данной модели передача происходит на скорости 20G. Для передачи используются длины волн 850/900 нм. В зависимости от производителя, длины волн могут изменяться в диапазоне от 800 до 920 нм. Структурная схема модуля представлена на рисунке ниже.
QSFP+ PSM4 (Parallel Single Mode 4)
QSFP+ ER4Модуль использует длины волн 1270-1330 нм. Передача 40G-канала с использованием данных модулей потребует наличие двух оптических волокон. В текущий момент использование таких модулей дороже, чем организация четырех каналов 10G, на базе CWDM в нижнем диапазоне. При этом, если использовать 10G SFP+ модули, то вам потребуется только одно волокно. QSFP28 PAM4 50G
Вообще, с появлением 100G многие столкнулись с ранее неизвестными для себя понятиями, такими как: Cogerent, OTU, CWDM4, DR, FR, PAM4 и прочими. Рассмотрим каждое понятие в отдельности. Cogerent (Когерентный)DSP-модуль может устанавливаться в самом оптическом модуле (в этом случае модуль называется DCO), либо на коммутаторе (в этом случае модуль называется ACO). В настоящее время оптические модули DCO доступны в форм-факторах CFP/CFP2, ACO в форм-факторе CFP4 (CFP и CFP2 сейчас мало распространены. В основном, выпускаются Finisar). Кроме скорости самого потока добавляется служебная информацию и данные FEC. Приблизительное отличие реальной скорости от OTU составляет 11%. Таким образом, скорость для оптического модуля OTU2=11,09 Гбит/с, OTU4=112 Гбит/с. Это важно понимать, когда вы подключаете свое оборудование к магистральному. Например, при соединении маршрутизатора с макспондером. Для данных соединений требуются оптические модули поддерживающие OTU4. CWDM4В описании модулей 100G можно встретить указание CWDM4 или WDM4. Это не значит, что модуль рассчитан для работы в сетях CWDM. В таких модулях используются лазеры CWDM и встроенный CWDM-мультиплексор. Это позволяет использовать более распространенные, и потому более дешевые, лазеры. Следует помнить, что между собой модули разных типов не работают. Т.е. вы не сможете соединить QSFP28-LR4-10 и QSFP28-CWDM4-10 между собой. Для снижения влияния перечисленных проблем, PAM-модули используются совместно со встроенным FEC, что отрицательно сказывается на стоимости.
Параллельная передача четырех каналов на длине волны 1310 нм, аналогично модели 40G. Данный стандарт пришел на смену 100G PSM4 и относится к третьему поколению. Благодаря использованию PAM4-модуляции, модули обеспечивают передачу 50G или 100G по одной длине волны. Стандарт передачи 100GBASE-DR обеспечивает дальность работы до 500 м. Модули рассчитаны на работу с одномодовым волокном, на длине волны 1310 нм. При этом передача четырех 100G происходит параллельно. Модули FR предназначены для работы на расстояние до 2 км. При передаче используется PAM4-модуляция, за счет чего 50G передается всего по одной длине волны. Для передачи используются CWDM-лазеры из диапазона 1270-1330 нм. Полный список возможных вариантов 100G-модулей представлен в таблице 4. *При использовании совместно с EDFA **При использовании совместно с EDFA и DCM. Скорость передачи 200G – 400GКлючевыми факторами для достижения подобных скоростей стало использование PAM4-модуляции и увеличение количества каналов с четырех до восьми. Модули выпускаются в форм-факторах QSFP-DD и OSFP. Поскольку ранее таких форм-факторов не встречалось, остановимся на них более подробно. QSFP-DD
Внешне модуль сопоставим с привычным QSFP28. Для обеспечения возможности работы с восемью каналами, контактная площадка стала длиннее и получила второй ряд контактов (показано на рисунке 3). Именно благодаря этому, модуль получил название DD (Double Density). Особенность подобного решения – в сохранении обратной совместимости. Так, в порт коммутатора QSFP-DD можно устанавливать обычные QSFP28. Наличие восьми потоков позволяет обеспечивать передачу в самых разных комбинациях: 8x25Gbe, 8x50Gbe, 4 x 100Gbe, 2 x 200Gbe, 1x400Gbe.
Рисунок 3. Форм-фактор QSFP-DD Структурная схема устройства модуля, представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема устройства модуля Как видим, модуль принимает 8 потоков 25/50G с электрического порта. В случае необходимости выполняет преобразование для нужной скорости при помощи Gearbox. Далее происходит передача на оптический блок, который отличается в зависимости от задач. OSFP(Octal Small Form factor Pluggable)
Модули OSFP чуть больше по размерам QSFP. Это позволяет улучшить охлаждение и повысить допустимое потребление до 15 Вт (для QSFP-DD допустимое потребление 12 Вт). Для нужд интерконнект и METRO-соединений QSFP-DD более привлекателен. За счет своей компактности и обратной совместимости с QSFP. В связи с чем, OSFP-модули широкого распространения не получат. OSFP будет набирать популярность по мере появления DCO-модулей в этом формате. В краткосрочной перспективе (2020-2021 годы) основное развитие направления 200/400G – это interconnect (соединение двух устройств на небольшом расстоянии). При этом, важно не столько соединять два устройства на такой скорости, сколько повысить плотность портов для нужд ЦОД. Именно этим обуславливается появление таких форматов как FR и DR, обеспечивающих передачу на короткие расстояния. Поскольку в качестве конечных устройств могут выступать коммутаторы или серверы, то применяются скорости передачи: 2x100G, 4x100G, 8x25G, 8x50G. Полный список доступных сейчас вариантов приведен в таблице 5. Таблица 5. Оптические модули 200/400G
ассмотрим назначение каждого из стандартов: Пример подобного модуля приведен на рисунке ниже.
Обратите внимание, что для подключения используется новый тип коннектора – CS. Данные коннекторы разработаны компанией Senko и предназначены для повышения плотности портов. Как видно из представленного ниже рисунка, разъем стал не только уже, но и ниже. За счет этого стандартный QSFP форм-фактор обеспечивает подключение четырех волокон. В свою очередь, это позволяет передавать не 8 длин волн за раз, а два раза по 4. Использование четырехканального мультиплексора дает меньше оптическое затухание, что, в свою очередь, позволяет снизить требования к оптическим компонентам. Это не только делает оптические модули более дешевыми, но и снижает тепло, выделяемое модулями, что важно в условиях высокой плотности портов.
Варианты подключения низкоскоростных модулей к более скоростным
Для подключения используется breakout-кабель. С одной стороны MPO12/UPC, с другой – 4 кабеля duplex LC. Данная схема включения очень популярна среди операторов ЦОД, а также совместно с DWDM-макспондерами, которые имеют клиентские порты QSFP+/QSFP28.
Такая схема очень популярна у магистральных операторов, совместно с DWDM-макспондерами. Также, данная схема подходит для использования с QSFP-DD DR4-модулями, для передачи 4 х 100G.
Схема используется операторами ЦОД для увеличения плотности портов.  В жизни всегда есть моменты, когда нам приходится принимать  В учебной среде, где знания и информация становятся |
