Источники (авторы): Обсуждая сверхвысококачественный аудиокомпакт-диск (Super Audio CD). Журнал аудиомагазин.
SACD (сверхвысококачественный аудиокомпакт-диск) — новый формат цифровой записи, активно внедряемый компаниями «Sony»/«Sony Music» и «Philips».
В SACD используется сразу несколько новых цифровых методик, но его главное отличие от CD и DVD — однобитовая схема кодирования, которая называется «Direct Stream Digital» (прямой цифровой поток) и представляет собой разновидность импульсно-плотностной модуляции.
В то время как в компакт-диске применяется импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) с разрядностью 16 бит.
Частота дискретизации сигналов в системе «компакт-диск» составляет 44,1 кГц.
У SACD эта частота выше в 64 раза и составляет 2,82 МГц.
Диапазон частот записанного сигнала — от нуля до 100 кГц, что в пять раз больше, чем у CD.
«Sony» и «Philips» утверждают, что возможности нового формата позволяют в полной мере сохранить качество записи студийных магнитофонов, верхняя граница диапазона которых может достигать 50 кГц и больше.
Таким образом, решается проблема, связанная с ограниченным частотным диапазоном компакт-диска (20 кГц) и с необходимостью (при записи и воспроизведении) крутой фильтрации на 21 кГц, негативно сказывающейся на характере звучания CD.
Динамический диапазон SACD составляет 120 дБ в слышимой области, но не за её пределами, поскольку применяемое спектральное перераспределение шума (noise shaping) увеличивает уровень шума на частотах выше 20 кГц.
120 дБ — это, конечно, меньше, чем 144 дБ при 24-разрядном кодировании, но всё-таки шаг вперёд по сравнению с 96 дБ компакт-диска.
Дополнительная ёмкость диска SACD достигается благодаря передовой оптической технологии.
Расстояние между дорожками уменьшено с 1,6 мкм до 0,74 мкм; длина битов и расстояния между ними сокращены (в среднем) с 0,83 мкм до 0,4 мкм, что увеличивает информационную плотность на 50%, а кодирующее устройство даёт ещё 50%.
Таким образом, общая ёмкость носителя увеличена в шесть раз и достигает 4,7 Гбайт.
Это стало возможным благодаря новейшим лазерам с меньшей длиной волны и улучшенному качеству приводов (транспортов).
Одним из основных преимуществ нового формата, дающего ему шансы на успех, является совместимость с обычными проигрывателями CD.
Планируется, что диск SACD будет двухслойным: верхний слой — обычный CD ёмкостью 650 Мбайт; нижний слой с данными DSD прозрачен для проигрывателя CD, но читается проигрывателем SACD.
Радикальный независимый американский журнал «Positive Feedback» (Vol. 8, No.2) опубликовал сразу два обширных интервью, посвящённых DSD и SACD.
В одном из них Майк Паппас, заместитель редактора по «цифровым» вопросам, выясняет у Дэвида Каваками («Sony») стратегию «Sony» по внедрению нового формата; в другом он же беседует с разработчиком цифровых устройств Эдом Мейтнером о преимуществах DSD.
Предлагаем вашему вниманию несколько отрывков из этих бесед.
Они велись по телефону с записывающим устройством «имени Ричарда Никсона» и носят разговорный и достаточно откровенный характер.
Эд Мейтнер работал с прототипами однобитовых систем ещё в семидесятых годах.
Эд Мейтнер. <...> С тех пор и до настоящего времени основной проблемой была недостаточная ёмкость носителей. То есть такое количество бит было не на что записывать, кроме как на видеомагнитофон «Umatic» или что-нибудь подобное.
Майк Паппас. Иначе говоря, вам кажется, что одной из причин потенциального успеха нового формата по сравнению с ИКМ, кроме качества звучания, разумеется, является увеличение ёмкости носителей и снижение стоимости вычислителей?
Э. М. Да. Кроме того, если необходимо архивировать или переархивировать аналоговые записи или оригинальные мастер-ленты…
М. П. Вот именно…
Э. М. …так вот, если вы переводите эти записи в однобитовый формат DSD, то, во-первых, в вашем распоряжении достаточно ёмкости для хранения и, во-вторых, вы можете преобразовать эти записи в любой другой формат, в частности в ИКМ 96/24. То есть DSD — прежде всего очень гибкая технология. Не забывайте, что любой из нынешних аналого-цифровых преобразователей начинается с дельта-сигма модулятора.
Затем сигнал DSD (однобитовая последовательность) проходит через дециматор (преобразователь с прореживанием) и превращается в ИКМ, иначе говоря, аудиосигнал начинает своё существование в цифровом мире как однобитовый.
М. П. Поэтому новый формат естествен прежде всего по своей природе.
Э. М. Совершенно верно. Теперь в вашем тракте однобитовый сигнал с АЦП идёт прямо на носитель, то есть на жёсткий диск или магнитооптику.
И обратное преобразование из цифры в аналог тоже упрощается, поскольку не требуется конвертации из ИКМ в поток битов.
И большинство современных ЦАП в той или иной степени являются однобитовыми.
Иными словами, мы просто исключаем участок ИКМ.
М. П. Значит, DSD проще, потому что вы не преобразуете сигнал в ИКМ с использованием децимирующего цифрового фильтра. Вы просто убрали всё лишнее.
Э. М. Да, именно так.
М. П. Пока одни совершенствуют и продвигают стандарт ИКМ 96/24, который, по сути дела, представляет собой немного «ускоренный» вариант 44,1…
Э. М. Точно.
М. П. …появляетесь вы, ребята, с абсолютно противоположным подходом и говорите: «Забудьте ИКМ. Есть кое-что получше».
Э. М. Ну да.
М. П. Я тоже считаю, что DSD лучше, и у меня есть свои аргументы. Расскажите, а вы почему уверены в превосходстве DSD?
Э. М. Преобразование аналогового сигнала в ИКМ противоестественно, а в однобитовую последовательность, напротив, соответствует природе вещей. При любом способе оцифровки что-то теряется.
Нужно выбрать формат с наименьшими потерями, формат, наиболее родственный аналоговому сигналу, и при сравнении с ИКМ DSD обнаруживает своё преимущество.
Рассмотрим одну из проблем ИКМ. Что происходит в точке перехода через нулевой уровень? Все биты меняются на противоположные.
Известно, что, когда неожиданно все 23 бита одновременно меняют свои значения с нулей на единицы, в источнике питания происходит шумовой всплеск.
Следовательно, необходима очень действенная коррекция ошибок, потому что, если знаковый бит примет неверное значение, положительный сигнал будет воспринят как отрицательный.
…Разрешающая способность ИКМ в точке перехода через ноль минимальная, а у DSD — максимальная.
Фактически свойства DSD сродни особенностям слухового восприятия. Наш слух чувствителен в основном к изменению скорости (изменение скорости).
Максимально, когда синусоида проходит через ноль. Здесь и нужно быть особенно внимательным.
Вся индустрия аудио высокого класса — это сплошной класс А, класс А, класс А…
Старые транзисторные усилители с искажениями в точке перехода через ноль никогда толком не звучали.
М. П. Потому что ухо наиболее чувствительно к этому переходу?
Э. М. Да, максимальная скорость означает и максимальную интенсивность — момент, который мы слышим особенно остро.
Посмотрим теперь на сигнал ИКМ, когда он пересекает ноль.
В этот момент его разрешающая способность — ноль бит. Единственное оставшееся разрешение — это подмешиваемый псевдослучайный шум (dither).
Скажем, у вас 16-разрядная система и один бит подмешивается.
Уровень собственного шума этой системы квантуется одним разрядом; поэтому, когда вы ставите запись с большим разрешением или пользуетесь ЦАП с большим разрешением, кажется, что звучание улучшается, и, быть может, так оно и есть, но основная причина этого улучшения, на мой взгляд, заключается в том, что собственный шум квантуется большим числом разрядов.
М. П. Это происходит в момент перехода через ноль.
Э. М. И в окрестностях этой точки. Ведь мы знаем, что при снижении уровня сигнала теряется один разряд на каждые шесть децибел.
М. П. Правильно.
Э. М. Поэтому, делая цифровую запись, вы стараетесь добиться максимальной привязки к уровню ноль децибел.
А типичный микрофонный усилитель имеет эквивалентный входной шум около –130 дБ, так?
М. П. Так.
Э. М. Когда мы имеем коэффициент усиления, скажем, 40 дБ (это типичная величина), уровень шума повышается до –90 дБ. Теперь этот шум подаётся на 16-разрядный АЦП, который квантует шум одним или двумя разрядами. Так?
М. П. Так.
Э. М. Значит, длина кодового слова для шума составляет один-два разряда. Теперь возьмём 20-разрядный
АЦП. Неожиданно мы попадаем в ту же ситуацию, с тем же уровнем собственного шума, за исключением того, что он квантуется пятью-шестью разрядами и так далее. Я называю это «биты, которые танцуют».
М. П. Танцующие биты.
Э. М. Вот и получается, что там, где нужно разрешение, бит для него не остаётся.
М. П. А с DSD эти проблемы устраняются.
Э. М. Да. Поэтому я называю DSD более натуральным, или минимальным, методом преобразования.
М. П. ИКМ в сознании людей представляется абсолютным решением, и многие говорят, что ничего лучше просто невозможно придумать.
Э. М. Да, многие.
Но проблема в том, что все одержимы стремлением к абсолюту, совершенно забывая при этом, что человеческие рецепторы гораздо острее чувствуют различие, дельту, а не абсолют, и наше слуховое восприятие тому пример.
Это в некотором роде философский вопрос, где ИКМ — абсолютная машина, а DSD — относительная.
Причём последняя для людей гораздо полезнее, и я уверен, что состояние человеческого здоровья в общем было бы гораздо лучше, если бы ИКМ вообще не существовало.
М. П. Почему собственно?
Э. М. Потому что ИКМ на подсознательном уровне вызывает раздражение, что негативно сказывается на психике и, уж конечно, мешает восприятию музыки.
И если мы считаем, что музыка должна доставлять удовольствие и снимать стресс, то звучание компакт-диска (с ИКМ) явно уступает звучанию старой аналоговой техники.
М. П. Вероятно, это одна из причин того, что уровень продаж носителей фонограмм продолжает падать?
Э. М. Возможно. Ну и, кроме того, настроения сейчас не те, что были в 60–70-х годах. Очень многие жалуются, что раньше, поставив виниловый диск, хотелось закрыть глаза, расслабиться, «релакснуть», и музыка сама тебя уносила.
А с CD ничего такого не происходит.
И хотя на слух никаких дефектов звучания не уловить, я уверен, они присутствуют.
М. П. А может, дело в том, что одна сторона диска играла примерно 22 минуты, а потом надо было встать и перевернуть его?
Э. М. И в этом тоже. Теперь в руках пульт дистанционного управления, и можно постоянно менять треки. Но я знаю многих людей, которые и 20 минут не могут высидеть.
М. П. Их так и выбрасывает из кресла.
Э. М. Вот-вот. И к тому же ещё одна забавная деталь: все разработчики преобразователей, которые сначала были приверженцами многоразрядных ЦАП, пришли к однобитовым.
И «Philips» с их битстримом, и поставщики ЦАП и АЦП — все занимаются однобитовыми схемами.
Сейчас мультибитовый преобразователь даже вряд ли найдёшь, потому что они только добавили проблем из-за своей несостоятельности в точке перехода через ноль и прочих недостатков.
М. П. С переходом на 24 бита ситуация для «икаэмщиков» только ухудшится, поскольку добиться линейности
на малых уровнях будет ещё труднее.
Э. М. Я вообще считаю это 24-битовым враньём, и ещё неизвестно, сколько там присутствует рекламных бит.
М. П. То есть реальное количество линейных бит меньше?
Э. М. Нет, в цифровой части они безусловно выдают 24 бита. Но соответствующих аналоговых цепей я что-то не встречал.
М. П. Так значит, это рекламные биты?
Э. М. Ну да. Хотя, опять же, хорошо уже то, что для квантования собственного шума используется большее число разрядов.
М. П. Это улучшает качество в точке перехода через ноль?
Э. М. Да-да. А также то, что в большинстве преобразователей используется дельта-сигма модуляция.
DSD, только с
М. П. Это, по сути, децимирующим фильтром.
Э. М. Правильно. И как всегда в аудиотехнике, чем проще, тем лучше…
Если удаётся сократить петлю обратной связи, уменьшить то, убрать это, звучание обычно улучшается.
М. П. Определена ли какая-нибудь стандартная форма для цифрового выхода DSD?
Э. М. S/PDIF. Но используются только три провода: синхронизация, левый канал DSD и правый канал DSD.
М. П. Очень интересно.
Э. М. В связи с этим сигнал синхронизации не приходится извлекать из музыкального сигнала, и устраняется одна из причин возникновения джиттера.
Э. М. …Архивирование записей. Для меня это очень важно, потому что старые плёнки буквально рассыпаются, и кто-то должен их спасать.
Переводить записи в ИКМ — значит навсегда связать себя с этим форматом.
От него уже никуда не деться. А если переводить запись в однобитовую форму, в DSD, то в дальнейшем можно преобразовать в любой формат.
М. П. С помощью…
Э. М. С помощью дециматоров и преобразователей частоты дискретизации. DSD впоследствии можно перевести и в формат 44,1, и в 96/24, и в любой другой.
М. П. И без особых потерь.
Э. М. Точно.
М. П. Ведь когда пытаются переводить 96/24 в 44,1, потери неизбежны.
Э. М. Да, это кошмар какой-то.
М. П. Если только не верить их пропаганде.
Э. М. Я пропаганде не верю.
М. П. Они-то считают это надуманной проблемой.
Но те, кто в курсе, что 96/24 не делится без остатка на 44,1, знают…
Э. М. Вот именно. И не стоит забывать, что это те же люди, которые утверждали, что «digital is perfect forever».
Этот же вопрос Майк Паппас затрагивает в беседе с Дэвидом Каваками, и последний замечает, говоря о формате SACD: «DSD действительно обладает рядом преимуществ в случае обратного преобразования.
Частично потому, что мы используем частоты дискретизации, кратные 44,1. 96 всегда было довольно странным числом для аудио.
Дело в том, что формат DVD-Audio вырос из DVD-Video, и частота 48 кГц требовалась для картинки.
Ребята из «Pacific Microsonics» очень настойчиво интересовались, почему именно 96? И в основном благодаря их настойчивости в спецификацию DVD-Audio была включена частота 88,2 и другие кратные 44,1».
Э. М. Двухслойный диск (SACD) предназначен прежде всего для тех, кому важно качество звучания. Для остальных прекрасно подойдёт формат 96/24.
