Аналоговый блюз

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.

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.