Digitalni zvučni zapisi se danas nalaze svuda oko nas, bilo da su pitanju CD i DVD mediji, DAT trake, satelitsko emitovanje, muzika pohranjena u računaru ili čak telefonski razgovori. Ali, pre nego što čujemo zvuk, digitalni zapis se mora pretvoriti u analogni signal, putem digitalno-analognog konvertora, D/A (u stranoj literaturi se obeležava skraćenicom DAC). Posao D/A konvertora se, na prvi pogled, čini jednostavnim – samo treba jedinice i nule pretvoriti u električni signal koji, reprodukovan preko pojačivača i zvučnika, konačno postaje zvuk. Ipak, preciznost konvertora i njegova brzina od ključne su važnosti za verodostojnost konvertovanog signala. Pogledajmo zajedno kako radi D/A konvertor i na kakve probleme nailazi pri obavljaju svoje funkcije. Takođe, pokušaćemo da objasnimo i principe rada različitih vrsta konvertora. Šta se događa u takozvanom električno-akustičkom lancu? Kada snimamo muziku, mikrofon je taj koji pretvara zvučni pritisak u napon, koji varira u zavisnosti od jačine tog pritiska. U tom trenutku, signal se i dalje nalazi u analognoj formi ili, preciznije rečeno, u analognom domenu.

PCM
Digitalni zapis predstavlja nešto sasvim drugačije. Da bismo shvatili kako rade D/A konvertori, važno je razumeti i proces dobijanja digitalnog signala. Zapis koji čuvamo na kompakt diskovima prošao je kroz proces pulsno-kodne modulacije (PCM). Ova modulacija sastoji se iz dva jednostavna dela: prvi se naziva semplovanje (sampling – uzimanje uzoraka), a drugi kvantizacija. Semplovanje praktično predstavlja uzimanje pojedinačnih uzoraka signala u različitim vremenskim intervalima. Da bi signal bio verodostojniji, neophodno je da se semplovanje vrši što brže. Na kompakt diskovima semplovanje se vrši frekvencijom od 44,4 kHz, odnosno svaka sekunda zvučnog zapisa pretvara se u 44.100 uzoraka signala i to za svaki kanal zasebno. Jedno od najvažnijih pravila u polju digitalnih signala predstavlja takozvana Nikvistova teorema. Ona kaže da ukoliko želimo da tačno izvršimo semplovanje, to moramo učiniti sa frekvencijom koja je dvostruko veća od najviše frekvencije u signalu. Kako ljudsko uho raspoznaje zvukove do 20 kHz, neophodna frekvencija semplovanja bi iznosila najmanje 40 kHz. Za svaki slučaj, kompakt disk ima nešto veću frekvenciju semplovanja.

Drugi deo procesa, kvantizacija, predstavlja uzimanje vrednosti svakog tog uzorka. Preciznost uzete vrednosti signala direktno zavisi od broja bitova kojima se svaki uzorak vrednuje. Primera radi, CD predstavlja svaki uzorak sa 16 bitova, odnosno svaki uzorak može imati vrednost u opsegu od 0 do 2 na šesnaesti stepen. Kvantizacija kod kompakt diska ima 65.536 mogućih vrednosti, a za druge vrednosti pogledajte tabelu.

Broj bitova Broj kvantizacionih nivoa Odnos signal/šum (teoretski)
1 2 6 dB
2 4 12 dB
8 256 48 dB
16 65536 96 dB
20 1048576 120 dB
24 16777216 144 dB

Iako mnogi osporavaju kompakt disk zbog "samo" 16 bitova, ovaj broj nivoa signala daje veliku preciznost pri procesu kvantizacije.

Frekvancija semplovanja (kHz) Tip medija Najveća teoretska čujna frekvencija (kHz) Najveća praktična čujna frekvencija (kHz)
44,1 CD 22,05 20
48 DAT 24 22
96 DVD 48 44
192 DVD-Audio 96 88
2.822 SACD 100 100

Jasno je, naravno, da se u ovom procesu ne uzimaju tačne, već približne vrednosti signala. Što više bitova imamo na raspolaganju, imamo i više mogućih nivoa, što ujedno povlači manji stepen greške pri zaokruživanju vrednosti uzorka.

Digitalni filteri
Ako kao primer uzmemo sinusioidni signal, primetićemo da u analognom obliku sinusoida ima "gladak" oblik, dok isti signal koji je prošao proces digitalnog konvertovanja ima "iskrzane ivice". Zapravo, signal nastao iz digitalnog zapisa poseduje oblik stepenica, a veličina stepenastih promena signala zavisi direktno od frekvencije uzimanja uzoraka i količine bitova u kojima se memoriše vrednost signala uzorka. Ivice ovih stepenica sadrže neželjeni signal veoma visokih frekvencija, koji nije postojao u originalnom analognom zapisu. Da bi se ove frekvencije uklonile, signal mora proći kroz niskofrekventni (low-pass) filter. Prvobitne generacije CD plejera koristile su takozvani brickwall filter (zid od cigle), koji je "brutalno sekao" visoke frekvencije od određene vrednosti. Ipak, ovi filteri su se pokazali kao skupo rešenje, koje je dodavalo izobličenja originalnom signalu, pritom pomerajući fazu originalnog signala.

Noviji filteri koriste kombinaciju digitalnog i analognog filtera. Digitalni filter se postavlja ispred D/A konvertora i njegova uloga je pomeranje neželjenih visokih frekvencija daleko iznad čujnog opsega, dok analogni filter poseduje prirodniji nagib, posmatrano sa muzičkog aspekta.

Up-sampling
Pomenuti digitalni filteri vrše proces poznatiji kao up-sampling (termin re-sampling bio bi precizniji). Oni, zapravo, imaju zadatak da uvećaju brzinu rada D/A konvertora, a to rade tako što šalju konvertorima više uzoraka na obradu. Kod up-sampling filtera sa oznakom 4x filter ubacuje tri nova uzorka nakon svakog originalnog. Kada je u pitanju filter 8x, on ubacuje sedam novih uzoraka nakon svakog originalnog sempla. Iako filteri, po logici stvari, imaju zadatak da izmene vrednost originalnog signala (u ovom slučaju uzorka), to se ovde ne događa. Sa druge strane, ovi filteri proračunavaju vrednosti novih umetnutih uzoraka. Kod nekih filtera ovi uzorci jesu u relaciji sa originalnim, a kod nekih ne.

Kao što smo već rekli, nakon ovog procesa resemplovanja, šumovi nastali usled kvantizacije su pomereni na više frekvencije. Na tim opsezima sada se može primeniti dosta blaži i prirodniji filter nego što je to "zid od cigala". Inače ovi analogni filteri su poznatiji pod imenom rekonstrukcijski filteri.

Digitalni filteri predstavljaju veliko poboljšanje u odnosu na analogne, jer se preciznost njihovih karakteristika može odrediti sa velikom pouzdanošću. Preciznost ide i do neverovatnih vrednosti od 0,00001 dB, sa slabljenjem od "velikih" 120 dB. Pored toga, digitalni filteri ne donose fazna pomeranja ili bilo kakva izobličenja. No, bez obzira na njihove izvanredne karakteristike, ne treba zaboraviti da se digitalni filteri uvek koriste u sprezi sa analognim filterima.