Цифровой звук. Как же много мифов крутится вокруг этой фразы. Сколько споров возникало между любителями удобства и качества цифры и приверженцами «живого воздушного» винилового звука помноженного на «тёплое ламповое» звучание. Кроме того, есть немало споров и между любителями «цифры»: достаточно ли 16х44.1 или нужно 24х192? Что лучше: мультибит или дельта-сигма? CDDA или SACD? PCM или DSD? В этой статье я попробую простым языком изложить азы цифрового звука, а так же более подробно остановлюсь на сравнении двух типов кодирования аналогового сигнала в цифровой: DSD и PCM .
Для начала ответим на вопрос, что есть цифровой звук? Чем он отличаются от аналогового? Если говорить кратко, математическим языком, аналоговый звуковой сигнал - непрерывная функция , цифровой звуковой сигнал - дискретная функция . Что это значит?
Аналоговый сигнал
Если нарисовать в воображении график синусоиды (именно так в чаще всего изображают звуковую волну): то, как бы мы его не увеличивали, стараясь рассмотреть все детали, - всегда будем видеть плавную гладкую линию: это аналоговый звуковой сигнал (рис. 1).
Рис. 1. Аналоговый сигнал
Аналоговый звук (запись) имеет множество параметров, с помощью которых можно оценить его качество. Рассмотри три самых важных: частотный диапазон, динамический диапазон, искажения.
Цифровой звук. Как же много мифов крутится вокруг этой фразы. Сколько споров возникало между любителями удобства и качества цифры и приверженцами «живого воздушного» винилового звука помноженного на «тёплое ламповое» звучание. Кроме того, есть немало споров и между любителями «цифры»: достаточно ли 16х44.1 или нужно 24х192? Что лучше: мультибит или дельта-сигма? CDDA или SACD? PCM или DSD? В этой статье я попробую простым языком изложить азы цифрового звука, а так же более подробно остановлюсь на сравнении двух типов кодирования аналогового сигнала в цифровой: DSD и PCM .
Для начала ответим на вопрос, что есть цифровой звук? Чем он отличаются от аналогового? Если говорить кратко, математическим языком, аналоговый звуковой сигнал - непрерывная функция , цифровой звуковой сигнал - дискретная функция . Что это значит?
Аналоговый сигнал
Если нарисовать в воображении график синусоиды (именно так в чаще всего изображают звуковую волну): то, как бы мы его не увеличивали, стараясь рассмотреть все детали, - всегда будем видеть плавную гладкую линию: это аналоговый звуковой сигнал (рис. 1).Рис. 1. Аналоговый сигнал
Аналоговый звук (запись) имеет множество параметров, с помощью которых можно оценить его качество. Рассмотрим три самых важных: частотный диапазон, динамический диапазон, искажения.
Частотный диапазон - набор частот, содержащихся в звуке. Принято считать, что частотный диапазон человеческого слуха 20… 20.000 Гц (иногда указывается 16 - 22.000 Гц). Сам по себе частотный диапазон музыки никакого интереса в плане оценки качества не представляет (к примеру, частотный диапазон все того же взлетающего самолета будет очень широк, а вокальной партии тенора - намного уже). Качественным параметром, скажем, наушников является потенциальный частотный диапазон, а оценивается он с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Идеальная АЧХ - прямая линия на всем диапазоне частот слуха – означает, что источник звука не усиливает и не ослабляет какие-то отдельные частоты, а значит извлекаемый звук совпадает с оригиналом.
Рис. 2. АЧХ MP3 файла 256 kbps
Динамический диапазон (ДД) - разность между самым тихим и самым громким звуком. Измеряется громкость в децибелах (дБ). Принято считать, что максимальная громкость, не наносящая травм человеку - это 130 дБ - звук взлетающего самолета, а минимальная слышимая громкость - 5… 10 дБ - на уровне шелеста листьев в маловетреную погоду. Естественно, что шелест листьев на фоне взлетающего самолета разобрать будет невозможно, да и слушать музыку с уровнем 130 дБ крайне неприятно. Поэтому принято считать, что комфортный ДД для прослушивания музыки - 80… 100 дБ.
Искажения – не что иное, как отклонение сигнала от оригинала.
Принципы представления звука в цифровом виде
Что же происходит при оцифровке аналогового звука? Не будем углубляться в технические аспекты, разберем все, как говорится, на бумаге: для этого нарисуем нашу воображаемую «идеальную» синусоиду и будем измерять величину сигнала через равные промежутки времени (этот процесс называется дискретизацией или квантованием): мы получим некий последовательный набор значений - это и будет наш цифровой сигнал, полученный методом импульсно-кодовой модуляции (PCM) (рис. 3).
Рис. 3. Преобразование аналогового сигнала в PCM
Два основных параметра качества PCM сигнала - это частота и разрядность. Частота - это количество измерений за одну секунду, чем их больше - тем с большей точностью передаётся сигнал. Частота измеряется в герцах: 44100 Hz, 192000 Hz и др. Разрядность - количество возможных значений величины сигнала (точность передачи величины). Чем больше вариантов - тем больше точность сигнала. Разрядность измеряется в битах: 16 bit (65.536 возможных значений, ДД 96 дБ), 24 bit (16.777.216 значений, ДД 144 дБ) и др.
Но это не единственный вариант представления звуковой волны в цифровом виде. Есть способ избавиться от такого параметра, как разрядность, оставить только два уровня амплитуды: -100% и +100% (0 или 1). Чтобы добиться этого, не потеряв в качестве, - нужно многократно увеличить частоту считывания величины сигнала (рис. 4).
Рис. 4. Преобразование аналогового сигнала в DSD
Такой вид представления цифрового звука называется импульсно-плотностной модуляцией, чаще всего для него используется аббревиатура DSD. Фактически, единственный качественный параметр такого сигнала - частота. Но так как частоты используются очень высокие (от 2.822.400 Hz), такие цифры сложно запомнить, принято делить частоту DSD сигнала на 44.100 Hz. Полученное число и является показателем качества: DSD64 (ДД 120 дБ), DSD128, DSD256 и т.д.
Восстановление аналогового сигнала из «цифры»
Но оцифровка аналогового сигнала – это полдела. Для прослушивания цифровой музыки нужно выполнить обратное преобразование. Для начала рассмотрим, каким образом превратить в звук цифровой DSD поток. Как мы уже знаем, этот поток представляет из себя высокочастотный (2,8 МГц и более) двухуровневый сигнал, средняя величина этого сигнала меняется со звуковой частотой. То есть, если подходить к решению задачи максимально просто, - нужно отфильтровать все высокочастотные составляющие DSD потока, оставив только полезный звуковой сигнал (частоты до 20...22 кГц). Делается это с помощью аналогового фильтра низкой частоты (ФНЧ). Простейший ФНЧ – это RC цепочка . Сигнал полученный, после прохождения этой цепочки, показан на рис. 5.
Рис. 5. Восстановление аналогового сигнала из DSD
Как видим, полученный график лишь отдаленно напоминает исходную синусоиду. Но не забываем, что мы «применили» простейший фильтр, улучшая схему фильтра можно добиться практически полного отсутствия высокочастотного шума и получить аналоговый звук с хорошими качественными показателями.
Для восстановления аналогового сигнала из цифрового PCM недостаточно только лишь аналогового ФНЧ, нужно предварительно расшифровать цифровые данные, для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАПы). Бывают они разных типов, но описывать их все в задачи данной статьи не входит. Остановимся на 2-х самых распространённых типах в звуковой технике. Во-первых, это так называемый ЦАП лестничного типа (его ещё называют мультибитным). Как вы, наверное, догадались, такой ЦАП преобразует PCM поток цифровых данных в поток величин звукового сигнала, которые на графике выглядят как лестница (рис. 6). Как и в случае DSD, обязательно использование аналогового фильтра для сглаживания «ступенек».
Рис. 6. Восстановление аналогового сигнала из PCM
Зачастую, в таких преобразователях используется промежуточная передискретизация цифрового PCM сигнала в более высокие значения частоты (например, 192 кГц): это уменьшает «ступеньки», что позволяет упростить схему аналогового фильтра.
Второй тип ЦАП – дельта-сигма – использует передискретизацию в ещё большие значения частоты с одновременным уменьшением разрядности до одного бита. Ничего не напоминает? Это же знакомый нам DSD сигнал! Как далее обработать такой сигнал и превратить его в аналоговый, мы уже рассматривали выше.
Применение PCM и DSD, достоинства/недостатки
Где же мы можем встретить каждый из способов кодирования? PCM формат очень распространён: CDDA диски, DVD Audio, файлы MP3, FLAC, ALAC, AAC, звук в фильмах, и далее, и далее, проще сказать, когда не-PCM. Super Audio CD диски, DSD диски, файлы DSF, DFF - это DSD формат. Что же всё-таки лучше? При воспроизведении какого формата мы получим более качественный звук?В статьях, посвященных DSD формату, описано множество преимуществ перед PCM, но все ли описываемые преимущества верны или это мифы, придуманные для обывателей, не разбирающихся в технической составляющей, чтобы отвоевывать рынок, плотно занятый PCM форматом? Давайте кратенько пройдемся по списку.
Выводы
Итак, что выбрать DSD или PCM? Однозначного ответа нет и быть не может: PCM 24 бит 92 кГц и DSD128, например, очень схожи по качественным характеристикам, причем эти характеристики лучше, чем у аппаратуры, на которой эти форматы будут проигрываться, а значит дальнейшее увеличение качества цифровых форматов для воспроизведения на данном этапе нецелесообразно. При оценке качества звука разных форматов высокой чёткости на первый план выходят субъективные ощущения, ведь не качеством единым питается человеческий мозг: дизайн аппаратуры, ее стоимость, и, главное, самочувствие и настроение слушателя дают гораздо больший эффект на ощущения от прослушивания музыки. А значит выбирайте то, что нравится лично вам, и не навязывайте другим свое мнение. Всем приятного прослушивания!Название (англ.): Pulse Code Modulation file
Название (рус.): Аудиофайл PCM
Разработчик: Неизвестен
Описание: PCM также известный как Pulse Code Modulation file представляет собой формат несжатого аудиофайла. Данный формат является результатом оцифровки аналоговых аудио сигналов посредством ИКМ - Pulse Code Modulation. Как правило, аудиофайлы формата PCM применяются для записи звуковой информации на компакт-диски. Нередко файлы PCM используют более распространенное расширение wav. Для воспроизведения файлов PCM можно использовать такие программы как Adobe Audition, MPlayer, Cool Edit Pro либо же QuickTime.
Для открытия (редактирования) файла этого формата можно использовать следующие программы:
Формат 2
Название (англ.): LaserJet Printer Cartridge Metric for printer driver
Название (рус.): Метрика картриджа принтера HP LaserJet
Разработчик: Hewlett-Packard
Описание: PCM также известный как LaserJet Printer Cartridge Metric for printer driver представляет собой формат метрики картриджа принтера HP LaserJet производства компании Hewlett-Packard. Формат был разработан Hewlett-Packard – известной американской компанией-поставщиком аппаратного и программного обеспечения. Обычно файлы метрики картриджа можно найти на прилагающемся к устройству диске. Расширение PCM также могут иметь драйвера для принтера HP. Такие файлы относятся к категории системных. Вручную файлы драйверов PCM открыть нельзя.
Для открытия (редактирования) файла этого формата можно использовать следующие программы.
Что такое «видео высокого разрешения», многие понимают; но какой смысл говорить об HD-аудио у ДК? Этот термин относится к форматам многоканального звучания, записываемого на Blu-ray-дисках. Для хранения цифрового аудиосигнала используются различные методы, но цель у них одна: лучший звук для вашего домашнего кинотеатра.
Лучший? Насколько лучший?
На порядок. HD-аудио заметно повышает качество, и чтобы услышать это, не нужно быть экспертом. Каждый аспект звучания становится лучше - от динамического диапазона до реалистичности. Как утверждает менеджер по продажам компании Dolby Энди Дауэлл, «Вы слышите именно то, что инженер сведения слышал во время микширования - с точностью до бита». Энтони Уилкинс, директор по маркетингу компании DTS, говорит так: «Когда мы обсуждали компрессию данных для записи звука на DVD, самым корректным термином было бы «урезание», поскольку часть исходного сигнала необратимо терялась в процессе кодирования. У кодеков HD-аудио для Blu-ray этого не происходит; результат идентичен оригиналу».
Идентичен оригиналу? Полностью?
Именно так. Сегодня исходные аудиодорожки к фильмам записываются в формате без сжатия PCM с параметрами 24 бит/48 кГц (лучше, чем на CD). После микширования саундтрек сильно сжимают для воспроизведения в кинотеатре или дома; это похоже на то, как из компакт-диска делают MP3. В системе Dolby Digital, чаще всего применяемой для создания DVD, битрейт соответствует хорошему MP3-файлу - от 384 до 448 кбит/с. Компрессия всегда была нежелательна, но она была необходима для того, чтобы суметь «втиснуть» многоканальный звук целого фильма на катушку или диск ограниченного объема. Однако у Blu-ray-диска объем доходит до 50 ГБ, так что необходимость в компрессии отпадает. Такой диск способен хранить полный саундтрек в формате PCM 7.1 с параметрами 24 бит/48 кГц; даже однослойный 25-гигабайтный диск легко вмещает звуковую дорожку без сжатия в формате PCM 5.1.
Почему тогда не каждый диск содержит звук в PCM?
Он занимает довольно большую долю объема, особенно у менее дорогих дисков на 25 ГБ. Чтобы оставить место для дополнительных материалов, дорожек на иностранных языках, комментариев и собственно видеосоставляющей фильма, студии следуют одному из двух подходов. Один заключается в понижении 24-битного PCM-аудио до 16 бит/48 кГц. Однако более популярно использование двух систем записи звука без потери качества - DTS-HD Master Audio и Dolby TrueHD.
Что означает «без потери качества»?
Эти системы подобны архиваторам файлов: они упаковывают PCM 24 бит/48 кГц в меньший объем памяти. Для воспроизведения требуется «разархивирование» записанного файла обратно в PCM; это может делать как Blu-ray-проигрыватель, так и большинство AV-ресиверов. В результате применения технологии Dolby TrueHD получается звук в PCM 24 бит/48 кГц, но его хранение требует почти вдвое меньше места. Теоретически он должен быть идентичен оригиналу; так утверждают Dolby и DTS. Вот почему эти две технологии так популярны в Голливуде: они обеспечивают очень высокое качество звука, но требуют более скромных объемов дискового пространства в сравнении с PCM. Это снижает стоимость диска (позволяя ограничиться 25-гигабайтным носителем) и оставляет больше места для дополнительных материалов.
Что говорят цифры
Для хранения звуковой дорожки двухчасового фильма в PCM 5.1 (24 бит/48 кГц) требуется 6,2 ГБ памяти. Dolby TrueHD снижает эту цифру до 3 ГБ; чем больше разных аудиоканалов у фильма и чем он длиннее, тем полезнее сжатие. Что до сравнения двух систем, то у DTS-HD Master Audio выше битрейт, чем у Dolby TrueHD (24,5 Мбит/с и 18 Мбит/с), но на практике эти значения почти никогда не достигаются. На некоторых дисках имеются дорожки в обоих форматах. В целом, оба они весьма хороши.
Три основных формата HD-аудио
- PCM без сжатия
ЗА: Фантастическое качество, как в фильме «В 3:10 на Юму». Не требует «разархивирования»; доступен и старым Blu-ray-проигрывателям или AV-ресиверам.
ПРОТИВ: Занимает много места: «Юма» в формате 7.1 требует более 8 ГБ.
- Dolby TrueHD
ЗА: Потрясающее качество звучания; занимает намного меньше места на диске, чем PCM. Саундтрек к фильму «Темный рыцарь» в TrueHD - один из самых замечательных.
ПРОТИВ: В теории, битрейт 18 Мбит/с дает чуть меньше, чем 24,5 у DTS-HD MA.
- DTS-HD Master Audio
ЗА: Самый распространенный кодек без потерь на Blu-ray-дисках; звучит чудесно - это доказывает саундтрек к фильму «Аватар».
ПРОТИВ: Кое-кто утверждает, что он на деле лучше Dolby TrueHD; мы в этом не уверены.
Что такое PCM
Начнем с того, что PCM (импульсно-кодовая модуляция) изначально старше, первые упоминания о ее успешном использовании относятся к середине прошлого века и связаны, как и многие достижения технического прогресса, с ОПК, а именно - с радарами ВМС. Что же касается бытового применения, то в первую очередь это всем известный компакт-диск с частотой дискретизации 44,1 кГц и уровнем квантования 16 бит.
Что такое DSD
DSD (плотностно-импульсная модуляция) - формат, разработанный компаниями Sony и Philips в конце прошлого века и предназначенный для архивации в цифровой форме аналоговых фонограмм. В качестве физического носителя этого формата выступает SACD. Схожесть у этих двух форматов фактически только одна - оба они цифровые, что для пользователя означает возможность неограниченного копирования без потерь. Что же касается разницы, то применительно скажем к области графического дизайна, это примерно как растровая и векторная графика. А если еще более художественно - то как вышивание крестиком и акварель. И в том и в другом случае получается картинка, но способ ее создания и, как следствие восприятия совершенно различны.
В чем отличие?
PCM, даже в силу возраста, намного более изучен, имеет гораздо лучшую совместимость с огромным количеством самых разных устройств, подразумевает возможность редактирования (эквализации, деления на частотные полосы, преобразования). DSD - формат фактически закрытый, в нем можно записывать, его можно воспроизводить, на этом всё. Однако же, он по своей природе гораздо ближе к первоначальному аналоговому сигналу.
Что же лучше?
Первый и самый главный вывод - с технической точки зрения форматы очень далеки друг от друга по способам реализации, но зачастую практически неотличимы в практическом применении, то есть в звучании итогового файла. Речь идет лишь о небольших различиях в нюансах подачи музыки. Поэтому, при прочих равных, выбирая очередной файл для скачивания и воспроизведения, лучше всего ориентироваться на исходный материал. Если перед вами оцифровка аналога, то DSD вероятно будет предпочтительней и сохранит больше нюансов оригинала. Если это ремастер ранее сделанной цифровой записи в PCM, то логичней ей и оставаться в этом домене.
