Image
21.12.2018 0 Comments

Ako fungujú slúchadlá Sony s Hi-Res zvukom cez bluetooth a tlmením hluku okolia

Význam rozhrania bluetooth na prenos zvuku vzrástol po tom ako Apple svoj iPhone 7 nevybavil konektorom na slúchadlá a veľa výrobcov tento príklad nasledovalo. Je tu však jeden problém. Štandardný zvukový kodek SBC na prenos digitálneho zvuku cez komunikačné rozhranie bluetooth je navrhnutý tak aby prioritne optimalizoval efektívne využitie šírky pásma a to aj na úkor kvality zvuku. A to by sa priaznivcom zvuku najvyššej kvality nepáčilo. V článku ukážeme, ako sa s týmto problémom vysporiadali v najvyššej rade slúchadiel Sony.

Princíp tlmenia hluku okolia aj rozdiel medzi vzorkovacou frekvenciou vysvetľuje naše video

1Kde vzniká analógový zvuk?
Odpoveď na otázku v nadpise je zároveň vysvetlením principiálneho rozdielu medzi slúchadlami pripojenými káblom a bezdrôtovými slúchadlami. Ak máte slúchadlá k smartfónu pripojené káblom, analógový zvuk sa generuje v D/A prevodníku smartfónu. Na kvalitu zvuku má rozhodujúci vplyv nielen kvalita slúchadiel, ale aj kvalita D/A prevodníku. Naproti tomu do bezdrôtových slúchadiel sa zvuk prenáša cez komunikačné rozhranie bluetooth ako dáta a tieto dáta sú prevedené na analógový signál až v elektronike slúchadiel.   V takomto prípade kvalita zvuku závisí od kvality slúchadiel a taktiež, či smartfón a slúchadlá podporujú kodek na bezstratové audio.

2Princíp (a limity) digitálneho záznamu
Analógový zvukový signál je najskôr v analógovo digitálnom prevodníku navzorkovaný, čiže „rozkúskovaný“ a tieto vzorky sú v podobe jednotiek a núl uložené na digitálne médium, napríklad CD, disk v počítači a podobne. Amplitúda každej vzorky sa zaznamenáva ako číslo. Digitálny záznam analógového zdroja zvuku je teda množina čísel. Kvalita zachytenia pôvodného analógového zvuku na digitálnom zázname závisí predovšetkým od vzorkovacej frekvencie a bitovej hĺbky. Bitová hĺbka určuje počet úrovní ktoré má prevodník k dispozícii na kvantovanie zvuku. Viac bitov v praxi znamená širší dynamický rozsah, čiže rozdiel medzi najhlasnejším a najtichším zvukom, ktorý je možné zaznamenať a následne reprodukovať.

Na nasledujúcich obrázkoch je porovnanie tvaru analógového signálu (sinusovky). Frekvencia vzorkovania klesá zľava doprava. Obrázky nie sú z reálnych slúchadiel, to by sa bolo treba pripojiť sondou na dosku elektroniky. Signál na ilustračných obrázkoch je generovaný D/A prevodníkom pripojeným k doske Arduino. Sinusovka vľavo je vytvorená z 256 vzoriek.  

Porovnanie tvaru analógového signálu.

Vzorkovacia frekvencia význame ovplyvňuje frekvenčný rozsah zvuku. Presná rekonštrukcia spojitého signálu zo vzoriek je teoreticky možná vtedy, ak bola vzorkovacia frekvencia vyššia ako dvojnásobok najvyššej harmonickej zložky signálu. Keďže ľudské ucho počuje len frekvencie do 20 kHz, používa sa vzorkovacia frekvencia 44 100 Hz a vyššia.

3Bezdrôtový prenos bez straty kvality
Na prehrávanie hudby vo vysokej kvalite sa čoraz častejšie využívajú mobilné zariadenia. K zosilňovačom, reproduktorom, prípadne slúchadlám sa pripájajú buď káblom, alebo cez bezdrôtové komunikačné rozhranie bluetooth. Štandardný zvukový kodek SBC na prenos digitálneho zvuku cez komunikačné rozhranie Bluetooth je navrhnutý tak aby prioritne optimalizoval efektívne využitie šírky pásma a to aj na úkor kvality zvuku. Teoretická prenosová rýchlosť kodeku SBC (low-complexity subband codec) je 345 kb/s, čo je na prvý pohľad dosť. V praxi sa dosahujú podstatne nižšie prenosové rýchlosti. Je to spôsobené jednak rušením a jednak snahou výrobcov zariadení o energerickú úspornosť, pretože tak smartfón, ako aj bluetooth slúchadlá sú napájané z batérie. 

SBC kodek je stratový, preto sa u kvalitnejších slúchadiel a reprodukčných zariadení využíva ako základný, čiže ak sa smartfón a slúchadlá „nedohodnú“ na inom protokole, využijú tento kodek v A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) profile. Prioritou tohoto kodeku je kompatibilita a prenos zvuku aspoň v prijateľnej kvalite. Ak zariadenia nepodporujú príslušný kodek, musí sa robiť transkódovanie a to v praxi spravidla znamená, že na stratový formát MP3 sa aplikuje ďalšia stratová kompersia a výslednú (ne)kvalitu zvuku si dokážete predstaviť. Priaznivci bezstratového formátu FLAC už začínajú tušiť pointu. Pretože tento formát nie je v bluetooth podporovaný, transkóduje sa na SBC a dochádza k strate kvality. Situácia je potom horšia, ako pri prehrávaní MP3. Stratová kompresia SBC kodeku totiž na rozdiel od MP3 neakceptuje takzvanú psychoakustiku, čiže spôsob akým tandem ucho – mozog vníma zvuk.

Jedným z riešení je kodek LDAC, ktorý podporuje Sony a implementovali ho vlajkových smartfónov Xperia, do prehrávača Walkman a do vyšších modelov slúchadiel a reproduktorov. Aj tento kodek robí transkodovanie avšak pri prenosovej rýchlosti 990 kb/s je prenos bezstratový. Frekvencia vzorkovania je 96kHz a  Hĺbka 24 bit/96 kHz Kodek LDAC má v porovnaní s SBC 3x vyššiu prenosovú kapacitu.  Ak chcete šetriť energiu, alebo zdroj hudby nie je v Hi-res, môžete použiť aj režimy s prenosovou rýchlosťou 330 kb/s a 660 kb/s. Výhodou LDAC je aj implementácia do Androidu počnúc verziou 8.0 Oreo.

Porovnanie prenosu LDAC a SBC

4Tlmenie hluku okolia
Možnosti kvalitnej reprodukcie zvuku som testoval na zostave Sony Xperia XZ2 so slúchadlami Sony WH-1000XM2. Tieto slúchadlá majú aj aktívne tlmenie hluku okolia.

Slúchadlá Sony WH-1000XM2 s podporou LDAC

Aktívne tlmenie funguje tak, že sa pomocným mikrofónom zosníma hluk okolia a primieša ho do reprodukovaného signálu avšak v opačnej fáze. Tento princíp funguje veľmi dobre, avšak z teórie, ktorá presahuje rozsah tohoto článku vyplýva, že funguje len pre bod v priestore, prípadne jeho bezprostredné okolie.  Pri pohľade na mušle slúchadiel Sony WH-1000XM2 sú v hornej časti malé oválne mriežky mikrofónov na snímanie zvukov okolia. Ponúkala sa teda hypotéza, že práve zvuk zosnímaný týmito mikrofónmi sa v opačnej fáze primieša do reproduktorov. Tlmenie hluku okolia je však u týchto slúchadiel tak dokonalé, že by to odporovalo teórii. Spomínané mikrofóny sú od vstupu do zvukovodu ucha, kde potrebujeme tlmiť hluk vzdialené asi 4 cm, čo je príliš ďaleko, aby to dobre fungovalo. Hypotéza sa nepotvrdila. Po vytiahnutí priezvučnej peny vo vnútri mušle. V strede obidvoch akustických meničov, presne v mieste kde je ústie zvukovodu ucha sú ďalšie dva mikrofóny 

V strede akustických meničov sú v obidvoch mušliach pomocné mikrofóny.

Vo vnútri každej mušle je teda mikrofón, ktorý sníma zvuk v tesnej blízkosti ucha. Signálový procesor z tohoto zvuku separuje hluk okolia a primieša ho znovu do reprodukovaného signálu avšak v opačnej fáze. Tento postup účinne eliminuje okolitý hluk. Potlačenie hluku je selektívne, účinne potláča hluk motorov lietadla, či autobusu, prípadne hluk klimatizácie vo vlaku, avšak prípadné hlásenia palubného rozhlasu počujete hlasno a zreteľne. Dobre počujete aj zvuky ulice, pretože sa z nich odfiltrujú len hlboké a monotónne hluky.      

Ako to funguje si pozrite na videu. Hluk, ktorý som púšťal do slúchadla priloženému k mikrofónu v mušli zachytávam pomocným mikrofónom z druhého slúchadla. Tento hluk imitujem sinusovým signálom s frekvenciou 300 Hz. Odizoloval som kábel slúchadiel a signál snímam osciloskopom. V mušli je vložený merací mikrofón, ktorým zachytávam zvuk generovaný akustickým meničom slúchadiel keď tlmia hluk.

Aktívne tlmenie zapnuté. Žltá krivka ukazuje hluk. Červená zvuk z akustických meničov, ktorý je v protifáze z hlukom, takže väčšina hluku sa vyruší.

Na ilustráciu púšťam hluk okolia do pomocných mikrofónov na vonkajšom okraji mušlí v režime príposluchu hluku okolia

Príposluch hluku okolia. Hluk (žltý) je reprodukovaný slúchadlami (červený) a má rovnakú fázu

 

Zobrazit Galériu

Nechajte si posielať prehľad najdôležitejších správ emailom

Mohlo by Vás zaujímať

Technológie

Podnikové komunikačné siete na technologickej križovatke

24.04.2019 00:11

Špeciálny projekt Rozvoj informačných technológií a ich uplatnenie v praxi naberá kolosálnu dynamiku. Komunikačné riešenia a služby, ktoré sa ešte pred pár rokmi javili ako veľmi vzdialené a takmer n ...

Technológie 1

Video: Roj robotov SpotMini dokáže odtiahnuť nákladné auto

23.04.2019 00:15

Spoločnosť Boston Dynamics zverejnila na YouTube ďalšie video ukazujúce nový kúsok. Skupina robotov SpotMini ťahá veľké vozidlo so zaradeným neutrálom. Na spoločnej úlohe tu pracuje 10 robotov. Dotera ...

Technológie

Spokojný zákazník, kvalitný produkt a kooperujúci pracovný tím - ako to docieliť?

24.04.2019 00:10

Špeciálny projekt V súčasnosti je cieľom IT spoločností využívať agilné metodológie pri vývoji produktov. Pritom mnoho ľudí na rôznych pozíciách vo firmách nemá jasnú predstavu o tom, čo si pod touto ...

q

Žiadne komentáre

Vyhľadávanie

FORPSI 042019

Najnovšie videá



PC forum button