A tökéletes eset
Nyilván nem az ideális példa a valóság, de érdemes abból kiindulni, hogy a lényeget megértsük. Egy ilyet mutat a következő ábra. A digitális átvitel során 0-kat és 1-eseket küldünk. Ez a gyakori tévhittel ellentétben nem a "van áram" és "nincs áram", hanem hogy kisebb vagy nagyobb-e egy középső szintnél. Ez a középső szint az ábrán a 0,5. Nem vizsgáljuk folyamatosan a jelet, csak a küldött számok közepén, ezt piros szín jelöli. Egy komparátornak nevezett áramköri elem felelős ezért az összehasonlításért, és ha 0,5-nél kisebb számot lát, akkor egy 0-t küld tovább, ha nagyobbat, akkor 1-et. A komparátor tehát garantálja, hogy bármilyen torz jelet kapunk, visszaalakítja ilyen szépre.
Mit érdemes levonni a tökéletes esetből?
Tökéletes 0-t vagy 1-et soha nem tudunk küldeni a zajok és csillapítások miatt, ezért nézi a fogadó, hogy amit kapott, az kisebb-e 0,5-nél vagy sem. Ha kisebb, akkor teljesen mindegy, hogy tökéletesen 0 vagy 0,499, mindenképpen 0-nak veszi, ha pedig nagyobb, akkor szintén mindegy, hogy 0,501 vagy 1-nek veszi. A fogadó sosem folyamatosan nézi, hogy mi az érték, hanem időszakosan, a szimbólumok (így hívjuk szakszóval a 0-st vagy 1-est) idejének közepén, ezt jelöli pirosan az ábra. Ez segít abban, ha a jel siet vagy késik (ennek a neve jitter), az ne számítson, csak ha már annyira torz a jel, hogy amúgy is mindegy. Éppen ezért a jitterre vonatkozó hangminőségváltozásokról már most látjuk, hogy hamisak: bárhogy csűrjük-csavarjuk elég nagy határokon belül az ábrán látható jelet, az mindenképp 01010101 lesz, mert a pirossal jelölt szakaszokra szinte lehetetlen más jelszintet juttatni, annyira középen vannak.
A valóság
Valamilyen szinten a jel mindig torzul a különböző átviteli hibák miatt. Otthoni környezetben ez általában 0.01% körül van, de az extrém példa kedvéért az ábrán ennek ezerszeresét, 10%-ot is megengedő zajt látunk. Ez azt jelenti, hogy a jel-zaj viszony mindössze 20 dB, amiről tudjuk, hogy analóg jelnél katasztrofálisan rossz, ekkor szinte hang nem is megy át. De a digitális jelnek ez mindegy. A komparátor mit lát a piros szakaszoknál? Bőven 0.5 alatt vagy felett vannak, nem is kérdés, hogy mennyire. Akár kézzel is hibátlanul vissza tudjuk rajzolni az eredeti jelet az előző ábráról, a lejátszó ezt meg is teszi. Ugyanúgy a 01010101 fog megszólalni vagy megjelenni, tökéletesen tiszta árammal, amit a komparátor a tápról szed le, tehát még csak azt sem mondhatjuk, hogy ez a zaj átkerül a fogadóra.
Ha még tovább romlik...
80%-os romlást látva már meg kell említeni, hogy miért is jelöl ki több pontot egy piros szakasz. Ennek oka, hogy valójában a fogadók túlmintavételeznek, egy szimbólumot általában 8-szor is képesek megvizsgálni. Hogy a jitter véletlenül se lehessen probléma, ezért ebből a 8-ból csak a középső 3-at nézik. Ha a 3-ból legalább 2 vizsgálat azt mondja, hogy a jelszint 0,5 alatt van, akkor már mindegy, hogy a harmadik mennyi, a beolvasott szimbólum 0 lesz. Ez fordított esetben is igaz, ha legalább két vizsgálat 0,5-nél nagyobbat mért, a szimbólum 1 lesz. Ha ezt minden esetre megvizsgáljuk az ábrán, hiába látjuk azt, hogy az eredeti jel szemmel fel sem ismerhető, a piros szakaszokat elnézve nagyon gyorsan beláthatjuk, hogy az adat itt is 01010101, vagyis a komparátor ebben az esetben is előállította az először látott, hibátlan jelet.
Mi történik bithibánál?
Gyakran előfordul, hogy annyira bíznak a jelút sértetlenségében - helyesen -, hogy semmiféle hibajavítást vagy hibaészlelést nem alkalmaznak. A sztereó PCM átvitel általában ilyen, legyen akár USB, koax, HDMI, vagy bármi más. Ilyenkor nagyon ritka esetben mégis előfordul, hogy valamelyik bit átfordul. Nézzük, hogy mi történik ilyenkor, vegyünk egy általános esetet:
A minták többsége nem éri el a maximális nagyságot, hiszen a hullámformának van olyan része, ahol kicsi a kitérés. Számoljunk végig egy ilyet:
- Legyen a hangunk 16 bites, ez azt jelenti, hogy minden mintát egy -32768 és 32767 közti szám ír le.
- A vizsgált minta 0000111010101110, átváltva 3758. Ez egy kellemesen kicsi szám.
- Tegyük fel, hogy a második bit átbillen, ettől lesz 0100111010101110.
- Kis változásnak tűnik, de egy elég magas számjegyről van szó: 20142 lesz az új érték.
- A hatalmas számérték a hullámformában ezt jelenti:
A tüske egy hatalmas csattanást jelent. Filmforgatásokon, amikor lecsapják a csapót, pontosan ezt érik el: egy tüske jelenik meg a hangban, hozzá tudják igazítani a képet. Ha bithiba történik, te pontosan ugyanilyet fogsz hallani, a hang teljesen élvezhetetlen lesz. Minél több a bithiba, annál közelebb kerül a zajhoz a végleges hang. Ilyet szinte sosem hallunk, egyszerűen azért, mert a digitális átvitel ilyen szinten tökéletes. A digitális átvitellel elértük, hogy a jel tökéletesen megismételhető, és a felvétel visszaadásának minősége kizárólag az analóg elemek minőségétől függ, semmi mástól. Ha hallható vagy látható hiba fordul elő, akkor már tényleg hatalmas a hiba.
A tömörített hangok valamennyire védik a rendszerünket: hibadetektáláshoz ellenőrző összeget alkalmaznak, aminek segítségével észlelni tudják, ha bithiba történt. Nem minden esetben javítható, de legalább annyit megtehetünk, hogy hiba észlelésekor lekapcsoljuk a hangot vagy képet. Ez történik például egy hibás TrueHD hangsávnál, vagy ha beletekerünk a filmbe, és még nem kapta el a dekóder a hangkeretek elejét: egyszerűen nincs hang.
Egy szemléletes példa
Ez az oldal, amit olvasol, pontosan ugyanúgy érkezik a számítógépedre vagy mobiltelefonodra, mint a digitális hang az erősítődre, 0-k és 1-ek sorozata. Pontosan ugyanazt az ellenőrzési módszert használják, ezért a rossz adat nem jelenik meg. Mi történne, ha mégis rossz adat érkezne? A következő bekezdés pontosan ugyanez a szöveg, csak minden frissítéskor a bitek másik 5%-a fordul át:
Ugyanilyen szinten válik használhatatlanná a digitális hang, ha hibák történnek az értelmezésében. Mivel az érzékelő áramkör pontosan ugyanazon elv alapján történik minden digitális kapcsolat végén, legyen az hang, internet, IPTV, stb., ezért biztosak lehetünk benne, hogy ahogy a szöveg, úgy a hang is tökéletesen átér. És a hang az internethez képest sokkal megbocsátóbb: az Ethernet kábel a hangátvitelhez szükséges 768 kHz-el szemben 100000 kHz-en működik, mégis hibátlanul jelennek meg a karakterek, amikben egyetlen bithiba is teljes romlást eredményez. Ismét bizonyossá vált tehát, hogy a digitális átvitel tökéletes, abban apró, nehezen észrevehető hiba nem történhet.