Audio CD - рождённый ущербным.

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"

  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

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.

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. 

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

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.

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

 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.