על שמיעה, סאונד, ומה שמסביבם - פרק יד: PDM

אחד מהדברים שהעולם הדיגיטלי ממש טוב בו זה פירוק של תהליכים למקטעים בדידים. זה קצת כמו שהעולם שלנו עובד. בפועל יש כאן רק רגע מתמשך של הווה, אבל אנחנו מפרקים אותו למנות בדידות של זמן, ובהתאם הפירוק הזה מסייע לנו לנוע בזמן. אנחנו בעצם “מייצרים” את הזמן יש מאין, בזה שאנחנו הופכים אותו למנות קצובות הניתנות למדידה.

היות שניהול זמן הוא אחד מהאספקטים הקריטיים ביותר ליצירת שדה קולי מדוייק (מי שזוכר, צללנו לנושא הזה בפרק ח: חשיבותו של הזמן), הטכנולוגיות הדיגטליות שמאפשרות ניהול זמן יעיל הן קפיצת מדרגה משמעותית להגברה בקנה מידה גדול, והן מאפשרת איכות סאונד גבוהה בהרבה מבעבר. אל אחת מהטכנולוגיות האלה - אפנון צפיפות דופק - הידועה כ-PDM, נצלול קצת היום.

למרות שאפנון קוד פעימה, או PCM (שדיברנו עליו בפרק שעבר), הוא פורמט האודיו הדיגיטלי הנפוץ ביותר, הוא לא היחיד: קיים גם פורמט אחר הנקרא “אפנון צפיפות דופק”, או PDM. פורמט חלופי זה, אם כי הוא פחות ידוע מה-PCM, מציג פתרון לאודיו דיגיטלי באיכות גבוהה על ידי חשיבה מחודשת על הדרכים שבהן ניתן להשתמש בדגימות וביטים.

לפתח חוש כיוון

למרות שלאפנון צפיפות דופק (PDM) יש קצב דגימה ועומק ביט, השימוש בהם שונה בתכלית מהאפנון הנפוץ יותר של קוד פעימה (PCM). אודיו בפורמט PDM כולל קצבי דגימה של 2.8 מגה-הרץ ומעלה - שזה הרבה יותר מקצבי הדגימה הגבוהים ביותר של PCM - אך עומק הסיביות מוגבל לביט אחד, אז ברור שקצב דגימה ועומק ביט משמשים בדרך שונה מהותית מהאודיו הדיגיטלי שרובנו מכירים.

במקרה של אפנון צפיפות דופק (Pulse Density Modulation), במקום שכל דגימה תהיה מדידה בדידה של מתח, ה-PDM הוא זרם מהיר מאוד של ביטים המציין את צורת גל השמע. דיגיטלית, "1" שווה פעימה, ו"0" שווה היעדר-פעימה. ריכוזים גדולים יותר של פעימות מעידים על מתח חיובי וריכוזים גדולים יותר של היעדר-פעימות מעידים על מתח שלילי. שקט שווה ל-1 ו-0 לסירוגין.

למרות שזו לא אנלוגיה מדויקת לחלוטין, אפשר לחשוב על כל אחד מה-1 וה-0 האלה כאינדיקטורים כיוונים, בניגוד להיותם ערכים קונקרטיים (כפי שיהיה במקרה של PCM).

פעימות (1 דיגיטלי) מצביעות כלפי מעלה והיעדרויות (0 דיגיטלי) מצביעות כלפי מטה. מאחר שכל “דגימה” היא רק ביט אחד, יש הרבה רוחב פס וכוח עיבוד לקצב דגימה גבוה במיוחד, ולכן רמה גבוהה של דיוק במימד הזמן.

בשביל ההקשר, קצב הדגימה הגבוה ביותר עבור PCM סטנדרטי הוא בדרך כלל 192 קילו-הרץ - כלומר 192,000 דגימות לשנייה, אך ה-PDM הסטנדרטי בקצב הדגימה הנמוך ביותר (עבור תקליטורי Super Audio CD) הוא 2.8224 מגה-הרץ - כלומר 2,822,400 דגימות בשנייה! זה נותן לאפנון צפיפות דופק את היכולת ללכוד ולשחזר צליל בהרבה יותר פירוט ומורכבות.

ניתן לראות בתמונה מטה כיצד נראה זרם נתונים של אפנון צפיפות דופק וצורת גל המופקת כתוצאה מכך.

ואלה קיצור תולדות אפנון צפיפות הדופק

הדוגמה הבולטת ביותר של אפנון צפיפות דופק בזירה המסחרית הייתה הסופר-תקליטור של סוני (ה-SACD), שהתבסס על טכנולוגיה הנקראת DSD (או-Direct Stream Digital) בקצב דגימה של 2.8224 MHz, ועומק סיביות של ביט אחד לכל דגימה. פורמט זה היה ידוע כבעל נאמנות גבוהה למקור, ויכולת להעברת הניואנסים הכי דקים במוזיקה, במיוחד בהתייחס לצלילים חולפים (Transients). במבחני האזנה, SACD נמצא כשווה ערך ל-PCM בקצב דגימה של 192kHz.

חשוב לדעת שהיבט בולט אחד של אפנון צפיפות הדופק הוא שהוא אינו נקי מרעשי רקע, אבל רובם נמצאים הרבה מעל הטווח הנשמע וניתן למחוק אותם עם מסנן מעבר נמוך (Low-Pass Filter) פשוט.

למרות הנאמר מעלה, בסופו של דבר, אודיו בפורמטי PDM (יחד עם פורמט ה-SACD) לא הצליחו למרות יתרונות ברורים באיכות האודיו. אפנון צפיפות דופק (PDM) הוא באופן משמעותי קשה יותר לעריכה ומיקס מאשר אפנון קוד פעימה (PCM), מה שהוביל לאימוץ חסר בקהילת ההפקה. בתגובה, יצרני החומרה והתוכנה של האולפנים הפנו עורף לטכנולוגיה, ומשם הפניית העורף המשיכה הלאה ליצרני מכשירי האודיו לצרכן. עם זאת, הטכנולוגיה הבסיסית של PDM אומצה במידה מסוימת, כ-Delta-Sigma Modulation, הנמצאת בממשקי אודיו מקצועיים רבים. עם Delta-Sigma Modulation, אות האודיו נלכד תחילה כ-PDM, ולאחר מכן מומר ל-PCM באמצעות מנגנון המכונה "מסנן דצימציה" (decimation filter).

יש פלח אחד של קהילת הפקת האודיו שבו ה-PDM מצא בית טבעי: אודיו מאסטרינג. באולפני מאסטר טיפוסיים, אין כמעט צורך בעריכה ועיבוד נרחבים, ומהנדסי מאסטרינג מתקדמים משתמשים במשורה בכלים ייעודיים כדי להפיק את האיכות הגבוהה ביותר מתוך רצועה מוזיקלית נתונה. לכן, באולפני מאסטרינג מובחרים תראו DAWs כמו Pyramix, שתומכים ב-PDM.

זה הכל להפעם. בפרק הבא נצלול קצת למכלול הבעיות שנוצרות כתוצאה משימוש בטכנולוגיה דיגיטלית באשר היא, וכיצד אפשר לפתור את הבעיות האלה, או לפחות לצמצם אותן למינימום האפשרי.