Особенности определения параметра сигнал/шум, когда получаются завышенные значения на примере MuseHiFi M3 Ultra

С недавнего времени при тестировании в RAA соотношение сигнал/шум определяется с высокой точностью . При этом сам по себе параметр не такой однозначный, как его представляют многие и на примере MuseHiFi M3 Ultra рассмотрим некоторые противоречия определения этого параметра.

MuseHiFi M3 Ultra - это интересная новинка в виде миниЦАП с лампами. В качестве ЦАП используется ES9028Q2M, после ЦАП лампы JAN6418 и далее усилитель на ES9603Q. Т.е. можно сказать, что здесь гибрид, где лампы дают свой вклад по напряжению, а транзисторный усилитель отвечает за выходной ток и является буфером.

К конструкции есть один большой вопрос - лампы ничем не прикрыты. Если такой ЦАП использовать в паре со смартфоном, то насколько это будет критично? Неожиданно, но лампы вообще не греются и возможно почти не светятся, т.к. при включении активируется достаточно яркая внешняя подсветка ламп. Вот эта подсветка из светодиодов возможно и является самой горячей частью устройства.

Во время теста сам ЦАП разогревался до 30 градусов. Скорее всего, если закрыть отверстия, то это не помешает теплообмену, т.к. он явно реализован через металлический корпус, служащий радиатором.

Регулировка громкости у M3 Ultra цифровая и исходя из графиков искажений, лампа находится уже после регулятора громкости. По этой причине вклад лампы гораздо меньше, чем это выглядит на графиках для максимальных уровней сигнала.

Вклад от лампы будет более существенный, если использовать устройство как источник под внешний усилитель. Другими словами, вклад от лампы напрямую зависит от выставления уровня громкости, и с высокочувствительными наушниками вклад лампы будет минимален, а с низкочувствительными - максимальным. Примерно такой же подход реализован в Cayin N3 Pro.

При регулировке громкости тут можно наблюдать те же особенности, что встречаются у Chord Mojo /Hugo TT и xDuoo XD-05 Basic в режиме Hi . При выставлении максимального уровня громкости сигнал на выходе подвергается клиппингу, а чистый сигнал получается при уменьшении уровня громкости на 7 дБ от максимума. Это обязательно стоит учитывать тем, кто собирается использовать устройство в качестве внешнего ЦАП с регулировкой уровня звука на внешнем устройстве. Обычно считается, что у ЦАП надо обязательно выставлять уровень громкости на максимум для получения наилучшего соотношения сигнал/шум, но именно с такими устройствами это правило не работает.

Кто-то считает, что так устройства работать не должны, и это баг, но на деле в этом есть свои плюсы. Если исходная звуковая дорожка записана тихо, то не всегда возможно поставить нормальную громкость на выходе устройства без использования отдельного цифрового усиления. Так как дополнительное усиление в цифре поддерживает далеко не весь софт, то здесь мы получаем дополнительное аппаратное как бы “цифровое усиление” до 7 дБ.

В таких устройствах конечно хотелось бы пожелать наличие индикации перегруза или переключения режимов усиления, где пользователь бы лучше понимал что вообще происходит.

По этой причине устройство было измерено в разных вариантах, в качестве ЦАП под внешний усилитель и усилителей (балансный и небалансный) с ограничением громкости на 7 дБ относительно максимума. И два дополнительных варианта, когда громкость выставлялась в максимум под 0 dBFS.

Когда устройство работает с такой спецификой регулировки громкости, конечные характеристики могут быть довольно противоречивыми, т.к. будут зависеть от логики, “как правильнее посчитать”.

Так как в RAA измерения делаются не ради формальности “по методичке из некого стандарта или так все привыкли”, а для практического использования, то соответственно будут пояснения именно по выбранному варианту.

По большому счету, оценивая звучания тракта, мы смотрим всего на три ключевые характеристики: АЧХ, громкость и нелинейные искажения.

При сравнении усилителей в связке с наушниками нам важно увидеть пороги относительной громкости между связками и получить ответ на простой вопрос, будет ли конкретная связка играть с достаточной громкостью? Так как измерить реальный уровень громкости пользователю обычно нечем и еще эта самая громкость может сильно зависеть от прослушиваемой музыки или дополнительной эквализации, то лучшим решением является относительное сравнение известного тракта с неизвестным.

К примеру, у пользователя есть Moondrop Dawn Pro 2 и наушники Juzear Defiant. Будет ли нормально Juzear Defiant играть с M3 Ultra?

Проще всего это посмотреть через сервис RAA Звуковое давление в связке. При выборе связки получается столбец, в котором складывается чувствительность к напряжению выбранных наушников и напряжение на выходе источника с поправкой на снижения выходного уровня в зависимости от сопротивления наушников и выходного сопротивления усилителя. Выходное напряжение сразу указывается в формате децибелов для наглядных расчетов.

Здесь на графике мы видим, что при подключенных наушниках максимальные уровни примерно равны (без учета возможностей самих наушников обеспечить такую громкость без искажений или поломки). Однако столбцы имеют разную раскраску, там, где цвет насыщенный - там качество со стороны усилителя хорошее, там, где цвет бледный, оно возможно не слишком хорошее, но без явных дефектов, а вот в темной серой зоне уже с явными искажениями.

Общие цифры обычно ничего не говорят простому пользователю, однако, если у Moondrop Dawn Pro 2 выставить громкость на максимум, и далее отрегулировать комфортную рабочую громкость через любой плеер, где регулятор громкости в децибелах, а не процентах или ступенях, то мы получим ту громкость, с которой нам необходимо сделать сравнение.

Допустим, в примере уровень громкости получился как -40 дБ от максимума (в красном столбце это -40 dBFS) на собственном музыкальном материале и условный референсный уровень звукового давления получился как 99.6 дБ SPL.

Мы видим, что при прямом сравнении уровень громкости попадает в насыщенную цветом область у графика с M3 Ultra. А это значит, что его можно смело брать и звук будет адекватным на этой громкости с Juzear Defiant.

А если далее предположить использование M3 Ultra с уникальными Snorry Radius?

Здесь аналогично громкости хватает, но уже в зоне менее высокого качества. Соответственно с этими наушниками максимально хороший звук будет лишь на несколько меньшей громкости.

При этом, если мы посмотрим на разницу в громкости как источников под внешние усилители, то картина будет следующей. У Moondrop Dawn Pro 2 максимальный уровень равен 11.9 dBV, в то время как у M3 Ultra 13.4 dBV с сильными искажениями и до 7.4 dBV c незначительными искажениями. Посмотрим, как это выглядит на звуковой волне.

Т.е. мы видим, что при максимальном уровне “верхушки” волны в случае с M3 Ultra срезаются выше определенных уровней (вид волны в одинаковом масштабе).

Когда мы выражаем уровни через Vrms или dBV, то предполагается, что искажения у сигнала минимальны и мы можем точно вычислить пиковые уровни напряжения на волне. Однако при сильных искажениях, как в примере выше (клиппировании) это вычисление сделать невозможно и это логически делает вычисление ряда параметров с разными допущениями.

Определять максимальное напряжение не обязательно при выставлении сигнала строго в 0dBFS, т.к. можно выставить оптимальный уровень для ЦАП (к примеру -9 dBFS) и АЦП, определить напряжение и рассчитать далее уровень для максимума.

Так, в модели расчетов выше, уровень сигнала при 0 dBFS должен быть равен как 13.4 dBV, но в реальности у нас будет сигнал тише и с высокими искажениями из-за сильной компрессии. Аналогичные “ошибки” получаются и в области низких уровней при искажениях транкейта. К определенному противоречию это приводит при вычислении такого параметра, как сигнал/шум.

Параметр сигнал/шум - это не исходный параметр, а отношение между полезным сигналом и фоновым шумом. Для усилителя этот параметр противоречивый, т.к. в зависимости от выставленного уровня сигнала он меняется и по сути важным является лишь уровень фонового шума усилителя в связке с чувствительностью наушников. Если сумма будет ниже внешнего уровня шума или находится за порогом слышимости, то совершенно не важно, какое будет соотношение сигнал/шум при прослушивании музыки.

Основная сложность для пользователя в том, что чувствительность наушников выражается в децибелах, а шум в микровольтах, без перевода в децибелы (единицы dBV) и без калькулятора эти цифры сложить непросто. По этой причине на страницах RAA напряжение по умолчанию представляется в dBV - чтобы была практическая польза.

Зависимость между основными параметрами достаточно простая, у усилителя есть уровень полезного сигнала и фонового шума, а у наушников есть чувствительность. Если все данные уже приведены в формат децибелов, то числа легко складываются. В итоге мы легко получаем уровень звукового давления для музыкального сигнала и звукового давления для фонового шума. При этом соотношение сигнал/шум будет одинаковым при расчете как со стороны усилителя, так и конечного звукового давления от связки из наушников и усилителя.

В случае с Moondrop Dawn Pro 2 все просто, при уровне фонового шума -122.52 dBV и максимальном уровне сигнала в 11.91 dBV сигнал/шум получается как -134.4 дБ.

При этом, если учесть наш пример, где громкость от максимума снижалась на 40 дБ, то соотношение сигнал/шум получается уже как -94.4 дБ. Т.е. мы уменьшаем сигнал/шум на величину понижения уровня полезного сигнала, т.к. знаем (это измерено) что регулировка цифровая и уровень фонового шума от выставленной громкости не зависит.

Если учесть чувствительность Juzear Defiant как 127 дБ/В SPL, то фоновый уровень шума получается как -7.4 дБ SPL (-122.52 dBV + 127 дБ/В SPL), что маловероятно услышать.

В случае с M3 Ultra у нас ситуация особенная. Выше уровня 7.4 dBV сигнал “обрезается” и если подходить с инженерной точки зрения, то сигнал шум должен вычисляться от этого уровня и добавляться, что есть “цифровой запас” или “дополнительный гейн” на 7 дБ. Т.е. фоновый уровень шума у него составляет -106.88 dBV и при реальном 7.4 dBV сигнал шум будет как -114.3 дБ. Кстати, именно такие данные дает производитель устройства.

Однако такой подход имеет определенные минусы. Дело в том, что у многих усилителей переход в сторону клиппирования не является резким, а запас по “виртуально-цифровому уровню” остается все же аналоговым “на слух”. Таким образом, расчет уровней производится не по мощности от формы волны сигнала, а по прямой регулировке изменения уровня звука.

Второй момент, наиболее важный с практической точки зрения, если мы хотим сравнить два устройства без вольтметра в руках, то мы выставляем регуляторы громкости на максимум у устройств и делаем регулировку уровня громкости для них уже программно. В этом случае отталкиваться приходится от теоретического максимума без учета клиппирования или мягкой компрессии для дальнейших корректных расчетов.

С такой точки зрения сигнал/шум получается как -120.2 дБ ( -106.88 dBV - 13.36 dBV). Такое значение получается завышенным, но удобным для вычисления параметра сигнал/шум при конкретном выставлении уровня громкости.

Т.е. вернемся к нашему примеру, где понизили уровень громкости сигнала на 39.4 дБ для M3 Ultra. Получаем соотношение сигнал/шум как -80.8 дБ, а фоновый уровень шума с Defiant как -106.88 dBV + 127 дБ/В SPL = 20 дБ SPL.

Таким образом, сигнал/шум, указанный по отношению к максимальному уровню 0 dBFS не означает реальное максимальное значение, которое должно получаться с учетом клиппирования сигнала, но оно корректно при таком обозначении. При этом это неизбежно может вводить в заблуждении тех, кто не вникает во все имеющиеся технические данные по продукту, либо, когда такие данные публикуются в отрыве от основных и тем самым получается потеря “контекста”.

Это лишь один из вариантов неочевидных трактовок этого параметра. Но есть и другие условия, которые будут рассмотрены в следующих материалах.