Всем Доброго времени суток. Cегодня речь пойдет о не самых распространенных на сегодняшний день форматах (по разным причинам), но тем не менее заслуживающих внимания. Эти форматы изобретались для замены CD-DA(обычного компакт-диска), которому было к тому времени уже почти 20 лет. Время шло, требования пользователей и слушателей к качеству воспроизведения музыкального контента повышалось. Появились в продаже усилители и акустические системы, способные с хорошей линейностью воспроизвести диапазон звуковых частот вплоть до 100кГц. Стандарт CD-DA по своим характеристикам уже не дотягивал до тех величин и требований. Аппаратура для чтения этих форматов в начале 2000-х годов стоила не дешево, но в дальнейшем демократичность фирм-изобретателей этих стандартов позволила встраивать свои декодеры даже в аппараты средних классов и DVD-проигрыватели небольшой ценовой категории.
Итак начали.
Формат Super Audio CD (SACD) разработан компаниями Sony и Philips в 1999 году.
Запись на SACD-диске может содержать от 1 до 6 звуковых каналов.
Естественно для воспроизведения SACD требуется проигрыватель, совместимый с этим форматом.
Однако на SACD-диске может содержаться дополнительный CD-слой (только стерео) для совместимости с обычными проигрывателями, такие диски называются гибридными (Hybrid SACD) и их можно слушать на любых обычных проигрывателях компакт-дисков. Примерно половина выпущенных SACD-дисков являются гибридными.
Продолжительность звучания Super Audio CD может достигать 109 минут при условии, что он содержит две SACD-зоны с разными параметрами записи (например, 2.0 и 5.1). При использовании только одной SACD-зоны продолжительность звучания превышает 2 часа.
Ёмкость диска SACD увеличилась в 6 раз за счёт уменьшения длины волны излучения лазера и увеличения апертуры объектива. Благодаря этому диаметр считывающего пятна света уменьшился с 3 мкм до 1 мкм. Это, в свою очередь, позволило уменьшить размеры питов(информационных углублений), интервалов между ними и шаг дорожки.
Для дисков SACD в качестве материала отражающих слоёв используется золото (в отличие от CD-DA, где используется алюминий, хотя встречаются и «золотые» CD, чаще всего для подарочных и коллекционных изданий - из-за своего «богатого» внешнего вида).
При записи SACD-дисков используется однобитный цифровой формат записи Direct Stream Digital (DSD), обеспечивающий более высокое качество звучания, по сравнению с обычным CD, благодаря более высокой частоте сэмплирования (до 2,8224 МГц). Главным преимуществом этого формата является отсутствие интерполяции сигнала, а значит и связанных с этим ошибок преобразования. В отличие от технологии PCM (Pulse Code Modulation) каждая выборка сигнала кодируется не 16 битами (20, 24 битами), а 1 битом, но частота выборок составляет 2,8224 МГц.
Формат DVD-Audio был представлен DVD Forum’s Working Group 4 (WG4) в 1998 году.
Действительно, хотя повышение разрядности и частоты дискретизации PCM-систем реально улучшали качество звука, эти улучшения становились все менее значительными. Причиной этого является фильтрация. В PCM-системе на входе необходимы фильтры с очень крутой характеристикой, чтобы подавить частоты, равные половине частоты выборки или превышающие ее. При частоте выборки 44,1 кГц фильтры типа «кирпичная стена» должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц - задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования.
Каждое увеличение частоты выборки облегчает работу для фильтра, но простым увеличением частоты не решить проблемы появления шумов квантования при многоступенчатых процессах аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований.
Однобитный формат записи - это прямая запись однобитного выходного сигнала с АЦП типа дельта-сигма (Чтобы узнать об этом подробнее читайте мою статью "Немного о ЦАП. Прогресс их развития".), причем этот сигнал имеет замечательные характеристики: динамический диапазон более 120 дБ, частотная характеристика от 0 до 100 кГц. При таком сочетании частотной характеристики и динамического диапазона формат DSD не имеет соперников среди других записывающих систем, цифровых или аналоговых.
Запись напрямую такого однобитного сигнала является альтернативой существующим форматам мастер-записи. Подобная запись устраняет необходимость процессов децимации(уменьшение частоты дискретизации сигнала путем прореживания его отсчетов) и интерполяции (нахождение промежуточных значений) для аналогового ввода/вывода. При этом упрощается структура (блок-схема) записывающей системы, поскольку исчезают параллельные информационные связи многоразрядных цифровых слов и необходимость их синхронизации.
Как и в обычных PCM-системах, аналоговый сигнал сначала конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации в 64 раза большей, чем номинальная частота дискретизации. Но DSD записывает одноразрядные импульсы напрямую, тогда как обычные системы затем преобразуют одноразрядный сигнал в многоразрядный PCM-код. В результате DSD дает цифровое одноразрядное представление аудиосигнала. Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют Pulse Density Modulation (PDM).
Полученный таким образом поток импульсов имеет примечательные свойства. Как и PCM, DSD по своей природе устойчив к искажениям, шуму и детонации записывающей аппаратуры и передающих каналов. Но, в отличие от PCM, DSD, как принцип преобразования, гораздо ближе к аналоговой передаче сигнала. Цифро-аналоговое преобразование может быть легко получено с помощью аналогового низкочастотного фильтра.
Поток дельта-сигма импульсов является достаточно «шумным». Сверхвысокое отношение сигнал/шум достигается в нем с помощью шумоподавляющих фильтров пятого порядка, что эффективно сдвигает шумы вверх по частоте за пределы звукового диапазона.
К тому же в PCM-системе семплирование в на частоте Найквиста приводит к значительному сдвигу между фазовой и частотной характеристиками фильтров в верхней четверти частотного диапазона. В однобитной системе, напротив, фазовая характеристика в верхней части звукового спектра не подвержена воздействию фильтра типа «кирпичная стена». Этот аспект особенно важен, когда система цифровой обработки является частью петли обратной связи, потому что в этом случае сдвиг фазы меньше, а стабильность системы и достоверность звучания выше.
Другой особенностью этого формата является его поведение в условиях возможной перегрузки. Одноразрядные кодеры высокого порядка должны иметь возможность управления перегрузкой, чтобы не пострадала стабильность. Это обеспечивается с помощью выбора соответствующей передаточной характеристики. Одноразрядный формат не дает, в отличие от многоразрядного, эффектов aliasing(наложение сигналов друг на друга) и clipping(отсечка части сигнала) при перегрузках.
Устойчивость к ошибкам:
Поскольку любой бит одноразрядного формата несет одно и то же количество информации, эффект каждой ошибки не зависит от того, какой бит является ошибочным. В этом одноразрядный формат выгодно отличается от многоразрядного кодирования, в котором ошибка в старшем значащем бите (MSB) сказывается в (L - длина слова) больше, чем ошибка в младшем значащем бите (LSB). Для 20-битной системы записи это означает, что ошибка в MSB скажется примерно в 1 млн раз больше, чем в LSB.
Системы опережающей коррекции ошибок (такие, как используются в формате CD) исходят из предположения, что все биты имеют одинаковый информационный вес, поэтому они одинаково защищают каждый бит. Для аудиосигнала это не подходит, поэтому страдает эффективность таких систем - младшие значащие биты получают избыточную защиту, а старшие значащие биты не получают достаточной защиты. Более того, эффект от ошибок не является пропорциональным, так как зависит от того, в каком бите произошла ошибка. Это приводит к быстрой деградации сигнала при превышении определенного уровня плотности ошибок.
Фактически, максимальный эффект от каждой отдельной ошибки - это функция частоты избыточной дискретизации. Эффект от ошибки обратно пропорционален коэффициенту избыточной дискретизации. Например, если коэффициент 64, ошибка, вносимая одним битом, будет примерно 1/64 максимального уровня, то есть ее уровень на 36 дБ меньше максимального уровня сигнала на выходе.
Вердикт
Качество SACD-формата доказало, что 1-битовое преобразование отлично умеет справляться с High-End задачами.
На этом пока все.