SACD изнутри

SACD имеет преимущество скорее не в точности передачи сигнала, а в гибкости, которой могут пользоваться производители воспроизводящего оборудования.

Упоминаемая к месту и не очень в самых разных вариациях теорема Котельникова обещает нам лишь то, что сигнал с частотой, не превосходящей половинную частоту квантования, может быть правильно воспроизведен по его цифровым отсчетам. На практике мы имеем дело с довольно сложной функцией, «подогнать» которую под условия теоремы Котельникова не так-то просто. Лучшие современные студийные магнитофоны при скорости ленты 30 дюймов/с обеспечивают запись полосы частот до 50 кГц при соотношении сигнал/шум около 120 дБ. Если мы попытаемся напрямую оцифровать такую функцию с частотой квантования 44,1 кГц, то частотные составляющие выше 22,05 кГц хоть и не воспроизведутся при обратном преобразовании, но при кодировании «завернутся» внутрь рабочего диапазона, образовав в результате интермодуляцию на вполне различимых ухом частотах. На практике это означает, что для устранения интермодуляции перед АЦП сигнал должен быть обработан фильтром, пропускающим в идеале с единичным коэффициентом частоты ниже 20 кГц (цифра, заявленная в качестве верхней граничной частоты) и не пропускающим вовсе (вернее, пропускающим с ослаблением на 96 дБ) частоты выше 22,05 кГц (условие теоремы Котельникова). Получается, что для 16-битного квантования нам необходим фильтр с крутизной среза более 900 дБ на октаву! Аналоговый фильтр первого порядка обеспечивает крутизну всего 6 дБ на октаву. Подобные фильтры, впрочем, могут быть реализованы цифровыми методами, но для этого надо оцифровывать сигнал с гораздо большей частотой, чем 44,1 кГц.

В отличие от PCM-модуляции, SACD использует технологию однобитного преобразования, известную также, как Bitstream или дельта-сигма-модуляция (зачастую при разговоре об АЦП говорят «сигма-дельта», а про ЦАП — «дельта-сигма»). Функциональная схема такого преобразователя приведена на рисунке. Главное отличие от традиционных многоразрядных АЦП здесь в том, что разрядность преобразователя минимальна (единица), зато частота сэмплирования гораздо выше (2,8224 МГц для SACD).Технология преобразования на самом деле не нова: в аппаратуре, работающей с цифровым сигналом PCM, она обозначается как 1-bit DAC/ADC и имеет несколько преимуществ перед традиционными DAC/ADC как в части простоты схемы, так и в линейности преобразования. Однобитный поток легко преобразуется в PCM с помощью цифровых фильтров (в простейшем случае — счетчик-делитель). Метод записи цифрового потока прямо с выхода 1-битного преобразователя, примененный в SACD, получил название DSD (Direct Stream Digital). С помощью подобной же схемы на основе интегратора (выполняющего роль фильтра) этот цифровой поток может быть воспроизведен без всяких дополнительных преобразований. Преимущество подобной технологии в том, что шум квантования «рассеивается» в значительно более широкой частотной полосе: (0–1,4112 МГц для SACD против 0–22,05 кГц для LPCM), соответственно, в слышимый диапазон попадает меньшая его часть.

Поясним, откуда взялась частота 2,8224 МГц. Цифра эта выбрана не случайно, она позволяет с помощью целочисленного деления и умножения получить все используемые сегодня в цифровой звукозаписывающей технике частоты квантования. Так, частоты 44,1 кГц и 88,2 кГц получаются путем простого деления на 64 и 32 соответственно, частоты 32, 48 и 96 кГц — путем умножения (oversampling) на 5 и деления на 441, 294 и 147 соответственно, и — самое сложное — частота 44,056 кГц получается путем последовательных умножения на 5, деления на 143, умножения на 25 и деления на 56. Столь впечатлившая Евгения цифра 2,8224 МГц соотносится с частотами квантования PCM-кодирования вполне однозначно: Bitstream преобразуется в PCM путем деления на количество разрядов, соответствующее требуемому числу уровней квантования. Таким образом, при сравнении с форматами DVD-Audio, имеющими 24 уровня, эквивалентная частота используемого в SACD кодирования составляет «всего» 120 кГц. Другое дело, что для собственно Bitstream-потока нельзя вообще говорить об эквивалентных частоте и количестве уровней квантования, эти аналогии можно расставить только на воспроизводящей стороне, когда поток пройдет через частотный фильтр. Учитывая, что параметры фильтрации могут варьироваться весьма существенно (предполагаю, что даже и динамически), SACD имеет преимущество скорее не в точности передачи сигнала, а в гибкости, которой могут пользоваться изготовители воспроизводящего оборудования.

Необходимо учитывать и то, что используемое звукозаписывающими студиями цифровое оборудование работает с форматом PCM, математический аппарат и процессоры обработки сигнала под Bitstream — дело будущего, а в настоящее время при подготовке тех же SACD (мое предположение) приходится применять преобразование в PCM и обратно, сводящее преимущества формата к аналогу этого самого PCM с параметрами 24 бит/120 кГц.