Цифровые фильтры в современных ЦАП

В большинстве ЦАПов можно выбрать цифровой фильтр.

Разберём популярные типы фильтров и опишем, что реально услышишь на практике — без осциллографов, своими ушами.

Кратко о принципе цифро-аналогового преобразования.

Цифровая «лесенка» (ступенчатый сигнал из ЦАП) превращается в плавную аналоговую волну за счёт аналогового низкочастотного фильтра (reconstruction filter) после самого преобразователя.

Как это происходит

1. ЦАП выдаёт импульсы
   Каждые 22,7 мкс (44,1 кГц) или 10,4 мкс (96 кГц) ЦАП по тактовому сигналу резко “прыгает” на уровень, пропорциональный текущему цифровому коду (например, 0В, 1,2В, -0,8В и т.д.). Получается ступенчатый сигнал — «лесенка».
2. Аналоговый фильтр сглаживает
   LC- или RC-фильтр (обычно 2-4 порядка) пропускает слышимый диапазон (<20 кГц), а высокочастотные ступеньки (содержащие энергию синусов всех частот) сильно ослабляет. Результат — плавная синусоида.

Зачем нужен цифровой фильтр в современных ЦАПах

Дельта-сигма ЦАПы работают на частотах 2,8-11 МГц. Вместо аналогового фильтра цифровой FIR-фильтр уже на этапе oversampling убирает ультразвук. На выходе ЦАП получается почти идеальная синусоида — аналоговый фильтр нужен только минимальный (первого порядка).
NOS ЦАПы (без oversampling) оставляют всю работу аналоговому фильтру — отсюда и характерный «аналоговый» звук с зеркалами.

По сути, вся магия ЦАП — это математическое восстановление непрерывной волны по её дискретным отсчётам (теорема Котельникова-Шеннона в действии).

Восстановление на ЦАП

Именно эту лесенку ЦАП и получает на вход. Аналоговый фильтр после ЦАП (тот самый reconstruction filter) сглаживает ступеньки обратно в плавную волну. Качество фильтра определяет, насколько точно восстановится оригинал — отсюда и вся разница между sharp/slow/min-phase и прочими.
Если частота дискретизации слишком низкая (ниже 2x максимальной частоты сигнала), в спектре появляются зеркальные образы (алиасинг), которые никакой фильтр не уберёт. Поэтому 44,1 кГц как минимум, а лучше 96+ для Hi-Res.

Цифровой фильтр

Объективно фильтр работает далеко за пределами слышимого диапазона, но его форма приводит к побочным эффектам — в первую очередь через фазу, импульсный отклик и уровень ультразвука. Именно эти побочные эффекты мы и «слушаем», когда меняем фильтр.

Линейный фазовый Fast (Sharp) Roll-Off

Это «по умолчанию» в большинстве ЦАП: линейно‑фазовый, крутой (fast / sharp) фильтр с очень резким спадом около частоты Найквиста и сильной подавляющей способностью в ультразвуке.

Что он делает технически

Очень крутой спад сразу за 20 кГц, плотное подавление зеркал и шума. Фаза строго линейная, задержка одинаковая для всех частот в полосе. Импульсная характеристика с ярко выраженным пред- и постзвоном вокруг основного импульса (симметричный «гребешок» слева и справа).

Как это слышится

На хорошем тракте эта настройка часто воспринимается как максимально чёткий и «собранный» звук. Атака инструментов, транзиенты, атака барабана, щелчок медиатора — всё максимально очерчено. Высокие — «чистые», иногда даже «вычищенные до стерильности». На яркой системе это может восприниматься как лёгкая холодность и «цифровая» жёсткость, особенно на плохих мастерингах. Сцена — геометрически правильная, с отличной локализацией по панораме, но при этом некоторым слушателям кажется немного «плоской» и «прибитой к колонкам»; ощущение воздуха и глубины иногда меньше, чем с более мягкими фильтрами.

Если обобщать: это режим, который обычно показывает лучшие измерения и даёт максимально «техничный» звук, но не всем заходит по характеру — иногда он кажется слишком клинически-стерильным.

Линейный фазовый Slow Roll-Off

Второй по популярности вариант — линейно-фазовый, но с мягким (slow) спадом. Цель — чуть меньше жёсткости и звона ценой более слабого подавления ультразвука.

Технически

Пологий спад после 20 кГц: фильтр начинает «кушать» бас / середину меньше, но и ультразвуковые образы подавляет слабее. Фаза по-прежнему линейная. Импульсный отклик: предзвон и постзвон выражены слабее, «гребёнка» короче и мягче.

Как это слышится

Типичные субъективные эффекты: звук воспринимается чуть мягче, чем с fast roll-off. Атака не такая острая, щипок струн и тарелки немного сглажены. ВЧ — более деликатные, часто менее навязчивые. На нейтральных или ярких АС/наушниках многие описывают как более «аналоговое» или «музыкальное» звучание. Сцена чуть шире и «воздушнее», при этом локализация предметов может быть каплю менее «высечена в граните».

На практике slow roll-off линейный фильтр часто оказывается хорошим компромиссом: измерения всё ещё приличные, а характер звучания — спокойнее, чем у резкого фильтра.

Minimum Phase Fast Roll-Off

Minimum phase — фильтры без предзвона: вся основная «звонкая» часть импульса уходит в постзвон, но за это платим нелинейной фазой.

Технически

Крутой спад (как у fast roll-off), хорошее подавление ультразвука. Нелинейная фаза: разные частоты проходят с разной задержкой. Импульсная характеристика без предзвона: импульс и последующий «хвост» только после события (во временной области).

Как это слышится

Субъективно многие описывают так: старт ноты ощущается чуть более естественным: нет ощущения, что сигнал «предугадывает» событие за счёт предзвона. На ударных и перкуссии атака может казаться более «аналоговой». Из‑за нелинейной фазы некоторые слышат небольшое изменение микродинамики и образов: инструменты могут чуть «пухнуть» по краям сцены, средина сцены — немного выдвигаться. Это субъективно даёт ощущение легкого «тепла» и «пластичности». На сложном материале (плотные миксы, метал, электронщина) иногда появляется ощущение меньшей «остроты», зато звук воспринимается чуть более цельным.

На ярких трактах minimum phase fast roll-off нередко помогает убрать ощущение «цифрового лезвия», сохраняя при этом хорошую читаемость деталей.

Minimum Phase Slow Roll-Off

Здесь накладываются сразу два эффекта: нет предзвона и сам спад фильтра довольно плавный.

Технически

Пологий спад в ВЧ с меньшим подавлением ультразвука. Нелинейная фаза. Импульсная характеристика с мягким постзвоном и отсутствием предзвона.

Как это слышится

Этот режим часто воспринимают как наиболее «аналоговый» из стандартных: звук заметно мягче и «гуще». Атака сглажена, тарелки и сибилянты уходят немного в тень, вокал перестаёт резать ухо даже на «ядовитых» записях. ВЧ становятся менее акцентными, иногда ощущается небольшой «вуаль» или «дымка» сверху, особенно если система сама по себе тёмная. Сцена может казаться более глубокой, но менее чётко структурированной: не столько «точки» в пространстве, сколько плавные «облака» звука.

Такой фильтр хорошо заходят на ушах, которые легко устают от яркости, и на системах, где фундамент уже есть, а хочется добавить пластичности и терпимости к плохой записи.

Apodizing Filter (часто — Fast Roll-Off)

Apodizing — не про фазу, а про «подрезание» звона: за счёт специальных окон уменьшают пред- и постзвон, жертвуя чуть более пологим спадом и не таким экстремальным подавлением.

Технически

Может быть линейным или смешанным по фазе, но с уменьшенным «ringing». Спад по ВЧ достаточно крутой, но не такой жесткий, как у классического brickwall. Импульс: меньше пред- и постзвона, чем у простого линейного фильтра.

Как это слышится

Типичный субъективный портрет: звук чистый, но менее «стеклянный», чем на стандартном linear fast roll-off. Детали остаются, но ощущение «цифрового звона» от тарелок и синтезаторов снижается. ВЧ становятся чуть более «бархатными», но без явного завала. Если сравнивать лоб в лоб, apodizing часто воспринимается как чуть более «натуральный» вариант технически правильного фильтра. Сцена сохраняет хорошую фокусировку, но появляется небольшая прибавка к ощущению естественности длины ревербераций и хвостов.

На практике apodizing-фильтры часто рекомендуют как «идеальный баланс» между техничностью и отсутствием цифровой жесткости.

Brick Wall Filter

Иногда отдельным пунктом: максимально крутой спад с жёсткой «стенкой» около Найквиста, заточенный на подавление ультразвука до измерительного идеала.

Технически

Очень крутой переходный участок, высокий порядок фильтра. Может быть линейно-фазовым или близким к тому. Импульс: ярко выраженный пред- и постзвон, длинный хвост.

Как это слышится

Звук максимально жёсткий и контролируемый. ВЧ чистые, но есть риск «стеклянности» и «цифровой» сухости. При лёгком пересвете системы или ярких записях утомляет быстрее других. Локализация объектов в миксе отличная, сцена по ширине — без вопросов, но ощущение воздуха, «дослушиваемых» хвостов реверберации может быть меньше, чем у более мягких фильтров.

Чаще всего это «режим для измерений», а не для релакса.

Hybrid / Low Dispersion / Mixed-Phase

Многие современные ЦАП добавляют промежуточные варианты — «Hybrid», «Low dispersion», «Mixed phase». Идея — сочетать чуть нелинейную фазу (чтобы уменьшить предзвон) с не слишком большим искажением временной структуры.

Технически

Фаза частично линейная в основной полосе, с нелинейностью ближе к краю диапазона. Спад по ВЧ средний — обычно между fast и slow. Импульс: уменьшенный предзвон, умеренный постзвон.

Как это слышится

Субъективные впечатления обычно такие: подача более естественная, чем у чистого линейного brickwall, но и не такая расслабленная, как у minimum phase slow. ВЧ достаточные по количеству, но без сильной стерильности; «песок» на тарелках появляется реже. Сцена сохраняет приличную фокусировку и читаемость, не превращаясь в «туман».

Это компромиссный вариант, который часто выбирают как «поставил и забыл», особенно если не хочется долго подбирать фильтр под конкретный тракт.

NOS / Super Slow Roll-Off

NOS (Non‑Oversampling) или Super Slow Roll-Off — это режим с крайне мягким или почти отсутствующим цифровым фильтром: либо вообще без oversampling, либо с суперпологим спадом.

Технически

Минимальная обработка, почти нет цифрового подавления ультразвука; значительная часть образов и шума выше 20 кГц по сути вываливается на аналоговую часть. Фаза — практически та, что даёт аналоговый тракт, цифровая часть почти не вмешивается. Импульсная характеристика короткая, очень мало или совсем нет звона.

Как это слышится

Вот тут начинаются самые горячие споры: звук часто описывают как жирный, «аналоговый», «слегка размытый, но живой». Есть ощущение большей слитности и телесности вокала и акустических инструментов. ВЧ при этом парадоксально могут быть чуть более «зернистыми» или «шероховатыми», чем на линейно-фазовом фильтре — не в смысле яркости, а в смысле текстуры. Некоторым это нравится, как добавка «винилового» характера. Сцена — у кого-то становится шире и глубже за счёт ощущения «воздуха», у кого-то кажется менее фокусной, когда отдельные объекты чуть размываются.

Объективно NOS добавляет больше ультразвука, который может взаимодействовать с усилителем и АС, поэтому поведение конкретного тракта у всех будет разным. На некоторых системах это даёт «магическую» музыкальность, на других — мыло и потерю разрешения.

Что на самом деле слышно на практике

Если тестировать на обычной системе «включил и забыл», разница между фильтрами может показаться минимальной или вообще неуловимой.

Но если уровень громкости выровнен, треки хорошо знакомы, система достаточно детальная (особенно по ВЧ и микродинамике), то типичные эффекты такие:

• Переход с linear fast → linear slow: звук становится мягче, ВЧ менее колючие, атака чуть сглажена, сцена ощущается свободнее.

• Linear fast → minimum phase fast: атака кажется более естественной, исчезает микроскопическое ощущение «звенящей цифры», при этом резкости меньше, появляется лёгкая теплота в середине.

• Minimum phase slow → linear fast: наоборот, появится больше «лезвия» и «рисунка», но возрастает риск усталости, особенно на яркой системе.

• Любой «обычный» фильтр → NOS: отчётливое изменение характера — либо «вау, стало живее/аналоговее», либо «что-то всё расплылось и стало грязнее».

Как выбирать фильтр под систему

Ориентиры:

• Яркая система, сибилянты, «цифра режет» — minimum phase slow, minimum phase fast, apodizing, иногда hybrid.

• Нейтральная система, хочется максимум разрешения — linear fast или apodizing fast.

• Темная, мягкая система, не хватает атаки и воздуха — linear fast / brick wall, иногда hybrid.

• Любитель «аналогового» почерка, винтаж, лампа, медленные жанры — NOS / super slow roll-off, minimum phase slow.

И важно: изменения от фильтра — это «очень тонкая шлифовка» характера, а не замена усилителя или АС.

Многие разницу не слышат вообще и это нормально потому что это микроскопические нюансы которые не всегда слышны даже на серьёзных системах, даже опытному слушателю.

Слышите разницу? Отчётливо? Уверены? Можете ее описать? Поздравляю, вероятно у вас очень хороший тракт или воображение. Впрочем, это тоже неплохо.