Zniekształcenia sygnału, czyli co jest grane

Zachwycające soniczne piękno niektórych konstrukcji, albo odstraszający jazgot, wreszcie, nie wzbudzająca emocji poprawność, czyli nijakość - przyczyną wszystkiego w przeważającej mierze są zniekształcenia. W mniejszym lub większym zakresie, takiego bądź innego rodzaju. Dziś zatem o zniekształceniach, czyli o tym co pojawia się na wyjściu, a czego nie ma na wejściu. 

Zniekształceniem będzie zatem każda deformacja sygnału wejściowego wynikająca z nieliniowości obwodów reprodukcji dźwięku, zmieniająca się wraz z poziomem przetwarzanego sygnału. 

Układy analogowe projektowane są w celu możliwie jak najbardziej liniowego działania. Przesterowanie wpływa jednak na kształt obrabianego sygnału, co prowadzi do generowania tzw. zniekształceń harmonicznych.

Zniekształcenia harmoniczne (nieliniowe)

Zniekształcenia tego rodzaju to dodatkowe częstotliwości pozostające w odpowiedniej relacji do sygnału. Są to tzw. harmoniczne parzyste, jeśli są parzystymi wielokrotnościami tonu podstawowego, bądź nieparzyste jeśli są generowane w takiej właśnie krotności. Składowe parzyste brzmią przyjemnie - to one (oraz składowe niższego rzędu) w dużej mierze odpowiedzialne są za tzw. “ciepło” lampowego brzmienia. W rozsądnej, subtelnej domieszce, ten rodzaj zniekształceń nie musi być szkodliwy. Często sygnał tak spreparowany jest ciekawszy, nasycony szczegółami, posiada pewien urokliwy walor, tzw. odpowiednią saturację (amatorzy lamp nie zamienią swej aparatury na żaden model tranzystora). Tymczasem składowe nieparzyste (oraz wyższego rzędu) zmysł słuchu odbiera jako nieprzyjemny “metaliczny zgrzyt”, który często kojarzony jest z tanimi wzmacniaczami tranzystorowymi, gdyż ten rodzaj zniekształceń pojawia się w przypadku wzmacniaczy półprzewodnikowych.

Intermodulacja

W tym miejscu można wspomnieć o intermodulacji (IMD), czyli zjawisku występowania dodatkowych składowych o częstotliwościach stanowiących kombinację częstotliwości i będących interakcją składowych sygnału wejściowego. Tak powstaje odpowiednia barwa i plastyka brzmienia, nie zawsze pożądane przez projektanta systemu.

THD

Wszystkie zniekształcenia harmoniczne, będące zniekształceniami nieliniowymi, składają się na parametr THD (total harmonic distortion). Podawany jest on przez producentów jako procentowa zawartość harmonicznych w sygnale audio. Sam wskaźnik niewiele jednak mówi, gdyż określenie udziału harmonicznych nie wskazuje na rodzaj występujących zniekształceń. Tak więc wzmacniacze o identycznym parametrze mogą brzmieć inaczej i dopiero podczas analizy charakterystyki aparatury można określić, które harmoniczne zostają wzmocnione. 

Clipping

Przetworniki cyfrowe pracują liniowo, jednak po przekroczeniu progu maksymalnego napięcia powstaje rodzaj zniekształceń (tzw. clipping) polegający na obcinaniu górnych i dolnych szczytów sinusoidy przebiegu. Sinusoida przyjmuje kształt kwadratu i pojawiają się nieparzyste harmoniczne, dające metaliczne, ostre brzmienie. W przeciwieństwie do układów cyfrowych, zniekształcenia harmoniczne w układach analogowych powstają i narastają stopniowo, generując łagodniejsze brzmienie, za które odpowiada zjawisko wytracania energii wyższych harmonicznych w miarą przesterowania układu.

Zniekształcenia liniowe

Innym rodzajem zniekształceń są zniekształcenia liniowe korelowane z pasmem przenoszenia i kształtem samej amplitudy sygnału. Ten rodzaj zniekształceń tworzą różne amplitudy związane z różnymi częstotliwościami, co daje wrażenie różnych poziomów głośności dla różnych zakresów przenoszonego pasma. Największy wpływ na ten rodzaj zniekształceń mają głośniki oraz parametry akustyczne pomieszczenia.

Zniekształcenia fazowe - związane są z właściwościami obwodów RC (zwłaszcza pojemności) powodujących w układach wzmacniających czy korektorach opóźnienia w przesyle sygnału. Takie opóźnienia, czyli przesunięcia fazowe są różne dla określonych częstotliwości. Na szczęście słuch ludzki nie jest szczególnie wyczulony na niewielkie opóźnienia składowych o różnych częstotliwościach (słychać jedynie podbicie czy tłumienie sygnałów danego zakresu częstotliwości), chociaż stopień odczuwalności zniekształceń fazowych jest żywym przedmiotem sporu wielu audiofilów. Ponadto układy wzmacniające nie generują istotnych wartości dla zniekształceń tego rodzaju. Istnieje jednak inny aspekt zagadnienia związany za reprodukcją dźwięku przez systemy multigłośnikowe. Problem tego rodzaju “zniekształceń fazowych” nie wynika z różnego opóźnienia sygnałów różnych częstotliwości w obwodach elektronicznych tylko z tzw. opóźnień transportowych, czyli z różnic odległości i opóźnień podczas rozchodzenia się fali akustycznej. Występują one w głośnikach, jak również w pomieszczeniach nagłaśnianych przez systemy o wielu głośnikach. Słyszalnym efektem tego rodzaju zjawisk falowych, jak raczej powinno się je nazywać, jest najczęściej kołysanie charakterystyki amplitudowej (nierówność związana z interferencją). Zjawisko przesunięcia fazowego występuje natomiast w korektorach graficznych. Każdy układ regulacji barwy dźwięku, przesuwa fazę przebiegów analizowanych fragmentów pasma. Na tym polega w istocie jego działanie.

Kołysanie i drżenie - Wow & flutter

Ten rodzaj zniekształceń związany jest ze źródłami odtwarzania dźwięku - gramofonem i magnetofonem. Są to niekorzystne i niepożądane modulacje częstotliwości przebiegu wynikające z nierównomiernego transportu nośnika. Wynikają one z niedoskonałości mechanizmów przesuwu taśmy i obrotów płyty gramofonowej (silniki, paski, łożyska), a także z jakości medium oraz różnych wibracji podłoża oraz podzespołów urządzeń odtwarzających. 

Nierównomierności obrotów płyty i przesuwu taśmy posiadają coś na kształt swego odpowiednika w formie cyfrowego jittera, określającego niedoskonałość sygnału taktującego. Jego praktyczne znaczenie jest jednak niewielkie, choć wśród audiofili ocena wpływu tego zniekształcenia może być uznana za istotny.

Przesłuch i separacja

Przesłuch (crosstalk) to zjawisko związane z “przeciekiem” sygnału pomiędzy dwoma kanałami audio. Innymi słowy przesłuch jest to niekorzystny wpływ sygnału jednego kanału na drugi. Separacja jest rodzajem przesłuchu dla sygnałów skorelowanych (stereo). Często oba pojęcia stosowane są wymiennie. Zniekształcenia tego rodzaju mają wpływ na wymiar sceny stereofonicznej. Najwięcej kłopotów wywołują w przypadku odtwarzania płyt gramofonowych.

Transjentowe zniekształcenia intermodulacyjne (TIM)

Pojawienie się pierwszych wzmacniaczy tranzystorowych zwróciło uwagę na nierozpoznany wcześniej rodzaj zniekształceń intermodulacyjnych, które powstają jedynie w momentach transjentów. TIM mogą występować we wzmacniaczach charakteryzujących się małym poziomem zniekształceń nieliniowych oraz intermodulacyjnych. Zniekształcenia tego rodzaju nie są wykrywane podczas testu sinusoidalnym sygnałem harmonicznym, jednak ucho ludzkie jest na nie szczególnie wyczulone - pozostawiają nieprzyjemne i męczące wrażenie metalicznego zgrzytu, nieczystości. Wrażenie to dotyczyło wczesnych konstrukcji tranzystorowych, które wykazywały bardzo niski poziom mierzonych zniekształceń, przy jednoczesnym wyjątkowo nieprzyjemnym brzmieniu. Powodem takiego dźwięku we wzmacniaczach tranzystorowych z silnym globalnym sprzężeniem zwrotnym było to, że ich stopnie nie były w stanie odpowiednio szybko reagować i odzwierciedlać właściwie jednocześnie zboczy impulsów i nakładanych na nie słabszych składowych. W praktyce taka sytuacja ma miejsce bardzo często gdy słaby, wysoki dźwięk nakłada się na niski, głośny sygnał (np. dźwięk skrzypiec na tle kontrabasu). Remedium na tego typu stany są odpowiednio szybkie stopnie wzmacniaczy, które zaczęły być konstruowane już od początku lat siedemdziesiątych, gdy tylko dr Matti Otala z Finlandii zbadał i przedstawił przyczynę problemu. 

Szumy

Szum jest tam gdzie prąd i dźwięk, czyli wszędzie. Walka o jego redukcję do akceptowalnego poziomu trwa od dawna. Cyfryzacja wyeliminowała ten rodzaj zniekształceń w kontekście nośnika (CD vs taśma magnetofonowa i płyta winylowa). Coraz lepsze podzespoły redukują szumy obwodów. Oczywiście byłoby najlepiej gdyby szum zawsze był poniżej progu słyszalności. Każdy wzmacniacz będzie charakteryzował jednak pewien szum, mniejszy lub większy, którego poziom określać będzie także rodzaj wejścia. Bardziej czułe wejście generuje bowiem większe wzmocnienie co przekłada się na więcej szumu. I tak największej szumy pojawią się wejściach dla wkładek MC, nieco mniejsze dla wkładek MM, a najmniejsze na wejściach liniowych.

Zniekształcenia dźwięku mogą mieć wiele innych przyczyn - buczą transformatory, zużyte lampy szumią, a mikrofonują nawet świeże, łuk elektryczny wywoływać może trzaski, słychać przydźwięk sieciowy, którego źródłem mogą być też wkładki gramofonowe, o trzeszczących potencjometrach i przełącznikach tylko napomkniemy. Krótko mówiąc, melomanowi lekko nie jest. Czy zatem należy przejmować się zniekształceniami? Owszem, zwłaszcza wtedy, gdy przestajemy słyszeć już MUZYKĘ. W innych okolicznościach jednak nie popadajmy w przesadę.