Filtracja cyfrowa QRONO d2a, czyli co nam zostało po MQA

W zamyśle twórców chodziło o ulepszenie filtracji cyfrowej w sposób, który uwzględnia fakt, że sygnały muzyczne o dużych częstotliwościach mają mniejszą amplitudę od tych o małych częstotliwościach. Spostrzeżenie to jest zgodne z naszą intuicją i naturą dźwięków muzycznych, tymczasem — jak twierdzi MQA Labs — standardowe modele filtrów cyfrowych tej zależności nie uwzględniają.

Drugim elementem, który ma różnić QRONO d2a od filtrów standardowo implementowanych w kościach konwerterów c/a ma być to, że wykorzystuje on inne charakterystyki dla sygnałów o różnych częstotliwościach próbkowania (44,1/48, 88,2/96, 176,4/192 kHz). W tym miejscu przyda się małe przypomnienie z techniki cyfrowej.

Typy i właściwości filtrów cyfrowych

Zasadniczo każdy filtr cyfrowy wprowadza zaburzenia (zniekształcenia) sygnału — tak w domenie czasu, fazy, jak i częstotliwości. Konstruktor musi zdecydować, czy bardziej mu zależy na tłumieniu artefaktów (skutków zjawiska aliasingu), płaskiej odpowiedzi częstotliwościowej i dobrym oddaniu fazy (atuty filtrów o liniowej fazie i stromym zboczu), czy też priorytetem jest zachowanie w dziedzinie czasu, w szczególności to, jak dany filtr reaguje na impuls (teoretyczna delta Diraca), wprowadzając oscylacje tylko po impulsie (filtr minimalno-fazowy) lub także przed impulsem (co jest typowe dla filtrów liniowo-fazowych).

Nie istnieją filtry doskonałe w każdej dziedzinie. Od lat trwają wśród badaczy i słuchaczy spory o to, co jest ważniejsze: stałe opóźnienie grupowe (jednakowe przesunięcie w czasie dla całego spektrum częstotliwości), czyli główna właściwość filtrów liniowo-fazowych, czy też pozbycie się nieanalogowych (nieistniejących w naturze) oscylacji przed impulsem (domena filtrów minimalno-fazowych, w przypadku których opóźnienie grupowe zmienia się wraz z częstotliwością).

Pomijając wybór rodzaju filtru, projektanci mają do dyspozycji możliwość kształtowania ich charakterystyk w sposób mniej lub bardziej „agresywny”. Działa tu zasada, że im bardziej strome jest zbocze filtru w pasmie zaporowym (powyżej częstotliwości granicznej), tym większe są oscylacje — i na odwrót: im łagodniejszy jest spadek i im wcześniej się rozpoczyna (na przykład nie przy 20, tylko czy 15 kHz), tym lepsza (krótsza) jest odpowiedź impulsowa.

Wiele lat temu wymyślono szczególną podklasę filtrów cyfrowych, tzw. filtry apodyzacyjne. Jest to rodzaj pewnej modyfikacji filtrów jednego i drugiego typu (liniowo-fazowych i minimalno-fazowych) polegający na wzbogaceniu współczynników filtrów o okna czasowe (wagi). Rozwiązanie to optymalizuje odpowiedź impulsową, ale ma pewną wadę — wprowadza kompresję transjentów i pogorszenie rozdzielczości. Reasumując, rozwiązania idealne nie istnieją. Choć jak twierdzą specjaliści od teorii, da się wykonać filtr FIR (o skończonej odpowiedzi impulsowej), który nie zniekształca fazy.

Jest jednak dobra wiadomość. Im wyższa częstotliwość próbkowania sygnału muzycznego, tym mniej istotne stają się wady filtrów cyfrowych. W szczególności poprawia się odpowiedź impulsowa (mniejsze rozmycie, krótsze oscylacje), a stosowanie łagodnych filtrów typu slow roll-off może być bardziej „bezkarne", ponieważ spadki charakterystyki zaczynają się daleko poza górną granicą pasma słyszalnego. Krótko mówiąc, największy problem dotyczy filtracji cyfrowej sygnałów 44,1 lub 48 kHz, odpowiednio mniejszy jest z nagraniami 96 kHz, a jeszcze mniejszy z tymi o częstotliwości próbkowania 192 lub 352,8/384 kHz. I to jest tak naprawdę główna przyczyna (pomijając większą długość słów cyfrowych: 24 vs 16 bitów), dla której nagrania hi-res brzmią zasadniczo lepiej od tych w jakości CD. Pod jednym wszakże warunkiem: że na żadnym z etapów produkcji sygnał nie został przetworzony do niższej częstotliwości próbkowania. Upsampling czy oversampling — tak powszechnie dziś stosowane przed konwersją c/a — nie są rozwiązaniem idealnym, tj. dającym dokładnie takie same efekty jak natywny zapis hi-res (lub zgranie z taśmy analogowej). Podczas upsamplingu, podobnie jak w niedoskonałej z natury filtracji cyfrowej, występuje zjawisko aliasingu, czyli generowania nieistniejących w oryginalnym sygnale audio „obrazów”, które należy odfiltrować. Niemniej, zwiększenie częstotliwości próbkowania ułatwia filtrację cyfrową. Stąd też powszechne jest stosowanie nadpróbkujących filtrów cyfrowych — znamy je od połowy lat 80.

Jakim filtrem jest QRONO d2a?

Wróćmy do opracowania MQA Labs. Twórcy techniki QRONO d2a przekonują, że odpowiedź impulsowa filtru jest jego kluczowym parametrem, ponieważ nasz słuch jest szczególnie wyczulony na zniekształcenia czasowe. Dzieje się tak dlatego, że mózg rozpoznaje rozmycie rzędu pojedynczych mikrosekund. Idąc tym tropem, odrzucono możliwość generowania przez filtr nienaturalnej oscylacji przed impulsem. Wynika stąd, że QRONO d2a musi być filtrem minimalno-fazowym. Z publikowanych w „białej księdze” charakterystyk i porównań można ponadto wywnioskować, że mamy do czynienia z filtrem apodyzującym (podobnie jak w przypadku filtru używanego w dekoderze formatu MQA, co od początku budziło wątpliwości tych producentów przetworników c/a, którzy nie zdecydowali się zaimplementować tej technologii). MQA wskazuje bowiem na znacznie skrócone oscylacje po impulsie w stosunku do filtru minimalno-fazowego w kości DAC-a (nie podano, jakiego, ale można się domyślać, o którego producenta chodzi), chociaż należy tutaj dodać, że bez znajomości charakterystyk porównywanego filtru trudno o jednoznaczny wniosek — to jedynie nasze przypuszczenie.

Dalszych podpowiedzi udzielają publikowane przez MQA Labs wykresy i komentarze, z których wynika, że QRONO d2a, działając na sygnale o częstotliwości próbkowania 48 kHz, wprowadza prawie dwukrotnie krótsze oscylacje niż „filtr standardowy”, dorównując mu, gdy ten przetwarza sygnał 96 kHz. Przy zwiększeniu próbkowania do 192 kHz filtr standardowy (o stałej charakterystyce) oscyluje 4-krotnie krócej niż przy 48 kHz, a odpowiedź impulsowa QRONO d2a staje się już niemalże doskonała — aż 20-krotnie krótsza niż domyślnego filtru liniowo-fazowego (zapewne o charakterystyce sharp roll-off). Co więcej... przewyższa ona najlepsze systemy analogowe — twiedzi MQA Labs.

Wydaje się więc, że QRONO d2a to tak naprawdę wyizolowany z formatu MQA audio sposób filtracji cyfrowej, być może nieco dopracowany w kwestii dopasowania współczynników filtru przy wyższych częstotliwościach (nad)próbkowania: 96 i 192 kHz. W tych przypadkach charakterystyki częstotliwościowe filtrów są bardziej łagodne (slow roll-off), by jeszcze bardziej skrócić oscylacje po impulsie. I to jest wspomniana już różnica pomiędzy QRONO d2a a typowym filtrem minimalno-fazowym slow roll-off.

Pozostaje jeszcze kwestia tego, w jaki sposób zaimplementowano nową filtrację. Pewnikiem jest to, że Bluesound pominął wszystkie 8 filtrów cyfrowych FIR zaprogramowanych w kości ES9039Q2M, aplikując w ich miejsce ów nowy filtr. Układ ES9039Q2M zapewnia taką możliwość. Inną, mniej prawdopodobną opcją, jest filtracja dokonywana w zewnętrznym układzie DSP. Bez możliwości zajrzenia do wnętrza Icona nie mogliśmy stwierdzić, czy tak faktycznie jest. Bluesound nie wspomina o takim rozwiązaniu.

Artykuł pochodzi z Audio-Video 2/2025 - KUP PEŁNE WYDANIE