Аналоговый блюз
АрхивНесмотря на все достоинства цифровых технологий, определенная часть аудиофилов до сих пор сохраняет верность аналогу. Что их привлекает?
Несмотря на все достоинства цифровых технологий, определенная часть аудиофилов до сих пор сохраняет верность аналогу. Именно они до сих пор покупают проигрыватели грампластинок и именно для них студии звукозаписи и сейчас выпускают коллекционные виниловые диски, звук на которых «живой», а не «мертвый», как в случае с CD. Чтобы разобраться, насколько обоснованы претензии «старообрядцев» к цифровым технологиям, нам придется кратко разобраться с основными понятиями цифрового звука, а также рассмотреть основные типы носителей аудиоданных.
Can you hear the music, hangin’ in the air?
В аналоговой аппаратуре звук1 представляют колебаниями тока в электрической цепи. Такие колебания называют аналоговым сигналом. Цифровая аппаратура оперирует наборами чисел и не знает никаких непрерывных электрических сигналов. Поэтому и звук (аналоговый сигнал) представляется в цифровой аппаратуре набором чисел. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется аналогово-цифровым преобразованием2. Аппаратное устройство, занимающееся таким преобразованием, логично называется аналогово-цифровым преобразователем или сокращенно АЦП.
Принцип работы АЦП следующий. На вход устройства подается непрерывный аналоговый сигнал, а на выходе через определенные промежутки времени снимаются численные значения его уровня (амплитуды3). Во время прохождения аналогового сигнала через АЦП происходят два процесса — дискретизация во времени и квантование по уровню (квантование значений амплитуды). Дискретизация сигнала во времени заключается в измерении значений амплитуды аналогового сигнала через определенные промежутки времени, называемые шагом дискретизации. Чем выбранный шаг меньше, тем, соответственно, чаще замеряются значения амплитуды. Количество осуществляемых замеров амплитуды в одну секунду называют частотой дискретизации (или частотой выборки) сигнала (рис. 1).
Квантование измеренных значений амплитуды сигнала представляет собой процесс замены этих значений приближенными с определенной точностью (рис. 2). Необходимость производимых округлений вызвана невозможностью записывать с бесконечной точностью реальные значения амплитуды сигнала.
Точность осуществляемого округления зависит от выбранного количества уровней квантования: чем больше уровней квантования, тем на меньшую величину приходится округлять измеренные значения амплитуды, и, таким образом, тем меньше получаемая погрешность.
Например, при наличии всего двух уровней квантования — «1» и «0» (то есть случай примитивного однобитного АЦП) измеренные значения амплитуды сигнала округляются до «есть» и «нет». В случае же, например, 16-разрядного АЦП количество уровней квантования равно 216 = 65536 уровней.
Итак, оцифровка сигнала представляет собой процесс регистрации амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и вывода зарегистрированных значений в виде округленных числовых значений. Полученные числовые значения амплитуды сигнала называют отсчетами. Очевидно, что чем выше частота дискретизации и чем выше разрядность квантования, тем точнее получаемая цифровая информация описывает оригинальный аналоговый сигнал. Способ хранения оцифрованного сигнала в виде последовательности чисел, описывающих абсолютные значения амплитуды сигнала, называется ИКМ — импульсно-кодовая модуляция (PCM — pulse code modulation). Надо особо подчеркнуть, что объем оцифрованных данных напрямую зависит от выбранных параметров оцифровки: чем выше частота дискретизации и разрядность квантования, тем больше памяти требуется для хранения оцифрованных данных.
Стандартный аудио компакт диск (CD-DA) несет информацию в формате ИКМ с параметрами 44100 Гц/16 бит/стерео (частота дискретизации/разрядность квантования/количество каналов).
Чтобы воспроизвести (проиграть) цифровой сигнал, необходимо преобразовать его обратно в аналоговую форму. Этим занимается специальное устройство — ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), который решает задачу, обратную дискретизации: по имеющейся цифровой информации путем интерполирования «строится» аналоговый сигнал. Именно на этом этапе (то есть на этапе восстановления) и выясняется важность параметров оцифровки сигнала. Если в ходе аналогово-цифрового преобразования частота дискретизации и разрядность квантования были выбраны низкими, то восстанавливаемый ЦАП’ом сигнал вследствие вынужденной грубой интерполяции может сильно отличаться от оригинального аналогового сигнала. Отсюда напрашивается, казалось бы, простой вывод, а именно: для получения в конечном итоге качественного сигнала на выходе ЦАП нужно брать как можно более высокую разрядность квантования АЦП при минимальном возможном шаге дискретизации. На практике, к сожалению, это невыполнимо в виду ограниченности объемов памяти. С другой стороны, стремясь получить данные как можно меньшего объема и занизив с этой целью параметры оцифровки, можно тем самым легко навредить качеству сигнала4. В частности, выбор низкой разрядности квантования ведет к зашумлению сигнала (так называемый шум дробления5), в то время как выбор низкого значения частоты дискретизации ограничивает верхний порог сохраняемых частот.
1 (назад) Звук (в контексте статьи) — это волнообразные колебания воздушной среды, воздействующие на нервные окончания человеческого уха. В общем случае определение звука шире: колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах (БСЭ).
2 (назад) В принципе, такое преобразование справедливо для любого аналогового сигнала, независимо от его истинной природы.
3 (назад) Под амплитудой сигнала здесь и в дальнейшем будем понимать величину сигнала в текущий момент времени.
4 (назад) Под качеством сигнала здесь подразумевается степень схожести сигнала, восстановленного из цифровой формы и оригинального аналогового.
5 (назад) Он же шум квантования.
В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста) частота дискретизации устанавливает верхнюю границу частот, информация о которых сохраняется в оцифрованном сигнале. А именно: максимальная частота спектральных составляющих сигнала равна половине частоты дискретизации. На практике это означает, что аудио-CD, несущий данные, дискретизованные с частотой 44,1 кГц, несет информацию об оригинальной записи в полосе частот от 0 Гц до 22050 Гц. Человеческий слуховой аппарат, кстати, способен улавливать частоты в диапазоне (приблизительно) 0–20 кГц.
Еще одним нежелательным эффектом оцифровки является так называемый джиттер (от англ. jitter — дрожание). Джиттер — это шум, возникающий вследствие нестабильности АЦП. Нестабильность этого электронного устройства выражается в том, что оцифровка проходит не с точно установленным шагом дискретизации, а с небольшими отклонениями от его номинального значения. Такое «дрожание АЦП» вносит в спектр сигнала паразитные высшие гармоники.
Для уменьшения объемов цифровых данных было предложено много разных способов их записи. Самый простой способ уплотнения заключается в записи не абсолютных значений амплитуды сигнала, а относительных изменений величины амплитуды (на запись которых можно тратить меньше бит, чем в случае ИКМ). Такой формат хранения данных носит название «адаптивная относительная импульсно-кодовая модуляция» или АОИКМ6 (ADPCM — Adaptive Delta PCM). Однако, несмотря на свою простоту и достаточно широкую распространенность, этот способ оказывается не слишком удачным, поскольку ограничение числа бит, используемых для записи величины изменения амплитуды, как правило, приводит к искажению сигнала.
Can you hear the music ringin’ in your ear?
На сегодняшний день существуют другие способы сжатия цифровых аудиоданных, которые в целом можно разделить на два принципиально различных типа: способы сжатия данных без потерь (lossless compression) и с потерями (lossy compression).
Цель сжатия без потерь заключается в достижении как можно более эффективного уплотнения цифровых данных с обязательным условием возможности последующего стопроцентного восстановления оригинальных данных. В целом, lossless-компрессор — это архиватор (как ZIP, RAR или другой), внутренний механизм сжатия которого адаптирован специально на сжатие аудиоинформации. Компрессоры этого типа на большинстве типов аудио данных обеспечивают в лучшем случае двойное сжатие, что является чаще всего наилучшим результатом сжатия даже теоретически.
Коэффициента уплотнения данных, обеспечиваемого lossless-компрессией, часто оказывается недостаточно. В таком случае прибегают к более эффективной компрессии — сжатию данных с потерями. Основная идея в том, что формат ИКМ избыточен и ИКМ данные могут быть уплотнены.
Человеческий слух не идеален: он инертен, его реакция и чувствительность конечны. Существует множество тому доказательств. Например: при звучании тихого тона на фоне близкого к нему по частоте громкого тона, слух воспримет только более громкий из них; слух вообще не способен различить два тона, отличающихся друг от друга меньше чем на 3 Гц; слух абсолютно не способен различить резкое пропадание звучания высоких частот, если этот провал произошел меньше чем на 2 мс. Эти и многие другие особенности слуха называются психоакустическими.
Цель кодирования с потерями заключается в достижении как можно более эффективного сжатия при сохранении схожести звучания закодированного сигнала с несжатым цифровым. Lossy-сжатие в общем проходит по следующей схеме: «упрощение» цифрового аудио сигнала (с учетом целого ряда психоакустических особенностей), а затем сжатие упрощенных данных каким-нибудь lossless-алгоритмом. Примеров lossy-алгоритмов и их реализаций существует много. Lossy-алгоритмы это: MPEG-1 Layer 1, 2, 3 (Layer 3 — это всем известный MP3), MPEG-2/4 AAC, Real Audio (файлы .RA), Ogg Vorbis (файлы .OGG), MusePack (два последних основаны на MPEG-1 Layer 2), Windows Media Audio (файлы .WMA) и многие-многие другие. Здесь нужно отметить, что как бы разработчики ни рекламировали свои компрессоры, lossy-кодирование — это всегда кодирование с потерями качества, и звучание закодированных таким образом данных уже не является звучанием оцифрованного оригинального сигнала, а лишь очень на него похоже. При этом степень «схожести» звучания зависит от «агрессивности» упрощения сигнала при сжатии: чем больше упрощается сигнал в процессе сжатия, тем более высокий коэффициент компрессии может быть достигнут, но тем хуже звучат закодированные таким образом данные.
6 (назад) Или дельта-модуляция.
Can you hear the magic? Yeah…
К концу тысячелетия ситуация на рынке несколько изменилась. Во-первых, «уникальный» и обеспечивавший «высочайшее качество звучания» компакт-диск стал столь же привычным, как когда-то компакт-кассета. Сформировалась даже прослойка потребителей, которых не удовлетворяло качество CD-звучания. С другой стороны, подходил к концу срок патента на CD, принадлежавший Sony и Philips. Таким образом, новых форматов хранения звука требовали «и верхи, и низы». В результате разработок на рынке появилось два новых формата — DVD-Audio (DVD-A) и Super Audio CD (SACD). Интересно, что на уровне носителей и структуры данных DVD-A и SACD похожи. Более того, в стандарте DVD-A теоретически предусмотрена поддержка кодирования DSD, лежащего в основе технологии SACD. Очевидно, что появление двух разных hi-end-форматов вызвано не столько техническими, сколько финансовыми разногласиями между компаниями-разработчиками (DVD-форум и Sony-Philips7).
DVD-A предназначен для хранения аудиоданных в шести каналах в формате ИКМ8. Параметры данных — 16–24 бит (разрядность квантования) и 96—192 кГц (частота дискретизации). DVD-A диск, как любой односторонний однослойный диск DVD, имеет объем 4,7 Гбайт. Скорость чтения данных с дисков DVD-A составляет 9,6 Мбит/с. При хранении данных в формате 24 бит/96кГц/6 каналов поток аудио должен составлять 13,8 Мбит/с, что является недостижимой скоростью чтения для DVD-A. Чтобы обойти это ограничение, стандартом предусмотрено использование специальной техники lossless-сжатия аудио — MLP9 (Meridian Lossless Packing). Таким образом, данные в формате 24 бит/96 кГц/6 каналов, требующие в несжатом виде скорость потока 13,8 Мбит/с, будучи сжатыми посредством MLP, могут вполне «уместиться» в дозволенные 9,6 Мбит/с.
Стоит отметить также, что при высокой частоте дискретизации разрекламированный многоканальный звук не поддерживается. То есть при частоте дискретизации 192 кГц запись можно прослушать, в лучшем случае, в стереоварианте. Кроме того, не каждый DVD-плейер «понимает» диски DVD-A. Для обеспечения совместимости многие диски DVD-А специально оснащены треками в формате Dolby Digital и DTS, которые легко распознаются проигрывателями DVD-Video.
Ключевым отличием SACD от DVD-A является формат хранения данных — не ИКМ, а однобитная сигма-дельта модуляция10 с частотой 2,8224 МГц. Несмотря на теоретически более высокое качество кодирования звука, чем в случае ИКМ, практическую выгоду от использования сигма-дельта модуляции на слух различить, вероятнее всего, невозможно11. Правда, еще одной действительно полезной особенностью SACD является возможность выпуска гибридных носителей (Hybrid SACD) — дисков, способных работать как в старых CD-приводах, так и в новых SACD (такая возможность достигается благодаря наличию на дисках SACD двух слоев с данными).
В самое ближайшее время ожидается анонс новой версии стандарта SACD — SACD II. В ней планируется ввести некоторые усовершенствования по защите данных, а также реализовать заложенные в стандарте возможности хранения видео- и фотоинформации.
Почему же до сих пор многие ценители звука предпочитают аналоговые записи на ленте или грампластинке цифровым данным и носителям? На этот вопрос ответить сложно и любой ответ на него не будет объективен. Мне кажется, что на сегодняшнем уровне развития технологий пристрастие к аналоговому звуку можно объяснить только психологическими причинами. В свое время некоторые аудиофилы жаловались на то, что, например, CD-DA несет информацию только о слышимой части звукового спектра, в то время как сверхвысокие частоты (выше 22 кГц) безвозвратно теряются. Для современных носителей DVD-A и SACD это утверждение уже не актуально. Другие утверждали, что «цифра» несет «неживой» сигнал и что временная и амплитудная дискретизация портят звучание. Опровергнуть это заявление также несложно — даже магнитная лента (не говоря уже о виниловых дисках) тоже является дискретным носителем, поскольку количество магнитных доменов (носителей информации) в единице площади магнитного слоя является вполне конечной величиной.
|
Акустика для психов Приверженности любителей винила к раз и навсегда выбранному носителю можно только позавидовать. Сторонники цифры готовы привести сотни аргументов, объясняя, почему цифра лучше аналога, и усомниться в качестве звучания грампластинок (в конце концов, оригиналы, выпущенные до 80-х гг. прошлого века, как правило, в не очень хорошем состоянии, а новые пластинки зачастую пишутся с цифрового мастера, что делает разговор об аналоговом звуке бессмысленным), однако все эти аргументы разбиваются о ледяное спокойствие аудиофила, который, с жалостью глядя на оппонента, произносит: |
7 (назад) Стандарт SACD был утвержден в 1999 году, тогда же, когда и DVD-A. www.sacd.philips.com/index.php.
8 (назад) Точнее, LPCM — линейная ИКМ.
9 (назад) www.meridian-audio.com/w_paper/2_1.PDF, www.dolby. com/trademark/meridian.pdf.
10 (назад) Cм. FAQ Евгения Музыченко: websound.ru/articles/theory/ dgaudfaq.htm.
11 (назад) Вопрос, что лучше — DVD-A или SACD, — достоин отдельной темы номера.
