• записи
    4
  • комментариев
    0
  • просмотра
    113

Краткая история цифрового звука для "чайников"

Overseer one

82 просмотра

Audio CD - рождённый ущербным.

 

cda.gif

Audio CD - первый бытовой формат, появившийся в начале 1980-х годов. Дитя своего времени, дитя компромиссов. Разрядность сигнала 16 бит, частота дискретизации 44100 Гц - я буду оперировать относительно небольшим количеством чисел, но эти два лучше запомнить. Продолжительность звучания компакт дисков до начала 21-го века не превышала 74-х минут, сейчас - до 80-ти минут.

 

В названии этой части есть слово "ущербный", необходимо пояснить, почему я так считаю.

 

1) Разрядность 16 бит из которой прямо вытекает теоретический диапазон 96 дБ. Фактически он значительно меньше. В чём же дело? Высококачественная техника может выдать очень низкий уровень искажений при максимальном уровне сигнала. С уменьшением на 6 дБ он растёт в два раза достигая 44% при минимальном уровне сигнала. Согласитесь, такие искажения не устроят никого, поэтому необходимо либо подвергать фонограмму компрессии: уменьшать динамический диапазон - разницу между максимальным и минимальным уровнем сигнала. Либо мириться с высоким уровнем искажений в тихих фрагментах фонограммах.

2) Согласно Теореме Котельникова частота дискретизации в 44100 Гц позволяет записывать на компакт-диск частоты до 22050 Гц - половины от частоты дискретизации. Фактически, чтобы обеспечить полосу пропускания до 20 кГц необходим фильтр очень большого порядка - частоты в 22050 Гц должны быть уже достаточно "задавленными". Такая фильтрация негативно влияет на звук, поэтому многие производители предлагают разную фильтрацию - честные 20 кГц и подпорченное звучание и более узкую частотную характеристику вместе с натуральным звучанием. То есть  владельцу аппаратуры предлагают выбрать "наименьше зло"

$_86.JPG

  На фотографии - переключатель фильтра в положении "1" на CD плеере Sony

 

3) На современную "болванку" CD-R вы можете записать только 70 минут музыки в формате WAV и в тоже время 80 минут в формате Audio CD. Это обуславливается отсутствием третьего уровня коррекции ошибок С3 присутствующем на компакт-диске с данными и отсутствующим на аудио диске. Можно сказать - на диске с данными существуют избыточные данные для восстановления, поэтому диск прочитается при более сильных повреждениях, и может прочитаться только одним - единственно правильным способом. По мере износа аудио компакт-диска система управления может отбрасывать плохо прочтенные фрагменты и  получить фрагмент методом интерполяции - вычислением среднего между соседними фрагментами. Поэтому вы можете прочесть диск 1001 раз и получить 1001 вариант звучания.

 

Таким образом мне кажется, что со спецификациями Audio CD поторопились. 2-3-5 лет задержки, запись в формате хотя бы 18 бит 48 кГц и почти все претензии исчезли бы. Но не зря говорят - история не терпит сослагательных наклонений.

 

Метания в прокрустовом ложе.

 

Учитывая проблемы Audio CD, его конкуренция с компакт-кассетами и грампластинками была очень тяжела - компакт кассеты продолжали улучшаться до середины 1990-х, в это же время индустрия предлагали различные возможности для смягчения родовых недостатков AudioCD

 

225px-HDCD_logo.svg.png 

 

Pacific Microsistems в 1995-м году предложила расширение формата High Definition Compatible Digital. Компакт диски совместимые с обычными проигрывателями, однако на проигрывателях с поддержкой данного расширения 16 бит 44.1 кГц превращались в 20 бит 44.1 кГц. Причём превращались не в результате обработки - на диске уже была 20-ти битная фонограмма. Вопрос, каким образом и насколько качественно она могла быть подготовлена выходит за пределы того, что я хотел бы сказать, но диски имеющиеся в коллекции показывают однозначно - затея удалась. Фактически сразу же выросли требования к ЦАП-ам - Texas Instruments предложила 20-ти битные PCM1702 и удешевлённый PCM63 с соотношением сигнал/шум 120 и 116 дБ соответственно. Но инициативу поддержали отнюдь не все производители оборудования. Японская JVC, игравшая не последнюю скрипку на рынке высококачественной аппаратуры предложила альтернативу.

Extended_Resolution_Compact_Disc_(logo).

XRCD не требовала никакого дополнительного оборудования. Между этими двумя инициативами была принципиальная разница - XRCD регламентировала весь процесс подготовки и производства компакт диска. Начиная с требования использования оригинальных 20-ти битных АЦП К2 и заканчивая более строгие требования к производству собственно дисков, что обеспечивало большую долговечность и лучшую считываемость. Но на диске в конечном итоге оказывались стандартные 16 бит 44.1 кГц. Субъективно в результате подготовке фонограммы, звучание смягчалось, становилось субъективно более приятным, дефекты низких уровней сигнала сглаживались ценой снижения детализации мелких нюансов. Повторюсь - диски XRCD можно слушать на любом оборудовании. 

 

image.jpg

Сама JVC расширяла семейство - XRCD2, XRCD24, затем XRCD подобная технология K2HD и выросшие из них же Ultra HD CD и  DXD CD 

 

DVD - Вдыхая полной грудью

 

2a1c0SvsXS9C9iow8-z5jzw0pbvUOHiSHAQV66o-

 

DVD это не только видео, тем более, что здесь я говорю о звуке. Спецификации DVD-Video кроме звука в формате 5.1 предусматривала значительные улучшения для любителей стерео - 16/20/24 бит и 48000 или 96000 килогерц в несжатом LPCM. То есть диск формата 24 бита 96 килогерц имел только аудиопоток 4608 килобит в секунду. Чуть более чем через десять лет после появления  Audio CD ему пришла массовая смена - проигрывать дорожки 24/96 обязан каждый DVD плеер. Вопрос был лишь в готовности индустрии наполнить рынок высококачественными записями, а от аудиопроизводителей требовалось совместить качественный видео тракт и ещё более качественный чем когда либо аудиотракт в одном устройстве. Texas Instruments предложила новый ЦАП - PCM1704, улучшенный 1702, остальные производители выжидали. Воздух в аудиофильском сообществе был напряжен - все ожидали два принципиально разных формата высокого разрешения - DVD-Audio и SACD.  

 

DVD-Audio и SACD - на распутье.

 

$_35.JPG

 

В чём же принципиальное отличие и что можно было улучшить ещё?

В связи с распространением многоканального звука в форматах Dolby Digital и DTS было необходимо предложить решение, позволявшее записывать многоканальные аудиодорожки без компрессии и вместе с тем дополнительно порадовать любителей стерео.

 

Спецификации DVD-Audio передать проще всего - 16, 20, 24 бита и 44100, 48000, 88200, 96000, 176400 и 192000 Гц для стереодорожек и всё то же самое (кроме подчёркнутых частот дискретизации) для многоканальных дорожек до схемы 5.1. И всё без компрессии! 24/96 5.1 звук может требовать полосу пропускания более 13-ти мегабит в секунду.

 

Ситуация с SACD  куда более неоднозначна. Дело в том, что получить ЦАП по изначальной технологии резистивной матрицы (т.н. R-2R) возможно до 16 (максимум 18) бит, в дальнейшем применялась технология дельта-сигма - фактически ЦАП переводил сигнал в однобитный. Разработчики формата SACD - Sony и Philips решили применить принципиально другую форму для записи аудиосигнала - Широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, PWM). В традиционной Импульсно-кодовой модуляции (ИКМ, PCM)  несколько десятков тысяч раз в секунду (скажем 44100 раза для компакт диска) на выходе ЦАП-а формировался сигнал соответствующей битности амплитудой. В случае с ШИМ ЦАП-у с куда большей частотой на вход подаётся ноль или единица - необходимость незначительно уменьшить или увеличить сигнал. Поэтому можно сказать что SACD предусматривает запись однобитного сигнала с частотой 2.8 мегагерц. Принципиально другой подход, теоретически более подходящий для ЦАП-ов с архитектурой дельта-сигма. Sony декларировала весьма впечатляющие возможности SACD дисков: Динамический диапазон до 120 дБ, Диапазон воспроизводимых частот до 100 кГц. На практике производители SACD плееров ограничивают частотный диапазон величиной 50 кГц. Доступны стерео и 5.1 конфигурации.

 

Производители техники оказались в сложной ситуации - кто-то эксклюзивно поддержал DVD-Audio (Panasonic/Technics, Toshiba, Rotel) кто-то только SACD (Sony, Philips). Остальные стремились создать универсальные проигрыватели способные воспроизводить все форматы высокого разрешения. Первое время ЦАП-ов для воспроизведения обоих форматов не существовало, для воспроизведения SACD использовалась технология DOP - DSD (формат записи SACD) over PCM - сигнал с SACD переводился в PCM (как правило в формат 24 бит 88200 гЦ). Это незначительно ухудшает звучание, с учётом, фактически двойного пересчёта. Затем появились ЦАП-ы готовые воспринимать сигнал DSD непосредственно. Несколько позже таких микросхем на арену вышел BLU-RAY.

 

Blu-Ray - Приход к общему знаменателю

 

20060808164550!Blu-ray_Disc_logo.svg

 Blu-Ray дебютировавший в 2006-м можно сказать не принёс почти нового. 16 или 24 бита, 48, 96, 192 кГц для стерео и 5.1 и всех частот дискретизации кроме последней для 7.1. Главным отличием было то, что в отличие от DVD-Audio и SACD, декларируемых как аудиофильские форматы, Blu-ray формат массовый. На Blu-ray вышло множество не только аудиодисков высокого разрешения, но и концерты с несжатым звуком высокого разрешения. Если SACD и DVD-Audio предлагали только звук, Blu-ray предлагал всё и сразу, вплоть до концертов записанных с высокой чёткостью и звуком 24/192 5.1. Сочлось несочетаемое. Несколько лет потребовалось для появления абсолютно универсальных плееров - Blu-ray плееры первых трех поколений не могли воспроизводить DVD-Audio и SACD. Приблизительно в это же время появились ЦАП-ы с возможностями больше, чем у какого либо формата - 32 бита, 352 и 768 килогерц, DSD c частотой более 2.8 мегагерц. Настало наше время.

 

Выход в Космос. А может быть за рамки возможностей человеческого слуха?

 

Появившийся в 2016 году Blu-ray Ultra HD 4K не предложил в звуковом плане ничего нового, вместе с этим обладателям качественных аудиосистем хотелось прогресса. Например, фонограммы высокого класса готовились в  формате DXD - 32 бита 352.8 кГц, а тем пользователям, которым было мало 2.8 мГц (DSD64), сначала получили 5.6 мГц (DSD128), потом 11.2 мГц (DSD256) и наконец 22.4 мГц (DSD512). Лично я никогда не имел возможность  слушать фонограммы более чем 24/192, и что касаемо DSD ограничивался прослушиванием SACD (DSD64). Фонограммы столь высокого разрешения продаются в интернет магазинах и в сервисах подписки, и для их прослушивания необходимы либо USB ЦАП-ы, либо сетевые аудиопроигрыватели, воспроизводящие файлы либо опять же подключающиеся к интернету и использующие сервисы класса Tidal Master.

 

Такова вкратце история цифрового звука. тонкости использования каждого формата я рассмотрю раздельно. 

 

 

 



0 Комментариев


Рекомендуемые комментарии

Комментариев нет

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Регистрация нового пользователя

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Войти