О цифровых аудио форматах

[omel]

История развития цифровых аудио форматов уходит своими корнями в далекое прошлое.
Когда по нашему шарику, еще тепленькому, ходили мамонты, а затем слоны... Но, как говориться, "повезло с ушами - да характер вспыльчивый". А если серьезно, то книжка с толковым описанием форматов занимает примерно 200 листов текста с множеством графиков и картинок… невеселых

Попробуем разобраться на пальцах. Одним из основных параметров в цифровой записи является частота дискретизации сигналов (Fs). По теореме Котельникова частота выборки должна быть вдвое выше записываемой полосы и в 1985 году было предложено три стандартных частоты выборки (дискретизации), которые в зависимости от полосы записи распределились так:
- 32кГц, 48кГц- DAT (Digital Audio Tape);
- 44,1кГц - компакт–диск.

Разница в частотах объясняется тем, что на заре рождения форматов бытовало мнение, что разнесением частот и соответственно несовместимостью форматов можно бороться с пиратством. Чтобы, например, нельзя было с компакт диска сделать прямую перезапись на DAT. Время расставило все по местам – стало понятным, что совместимость форматов приносит больше прибыли, чем борьба с пиратством, но неразбериха была узаконена. Позже появился более современный PCM формат - DVD – Audio, который благодаря подтянувшейся технологии изготовления чипов смог позволить себе повышенные частоты выборок 48 (удвоенные 96 или учетверенные 192) кГц.

Если с точки зрения полосы сигнала информативна частота дискретизации – то за динамический диапазон и нелинейные искажения несут персональную ответственность число битов в кадре (frame), величина которого кратна 16. Цифра 16 – тоже исторически сложившаяся величина и отражала уровень развития схемотехники на время появление стандарта. Введение дополнительного количества битов (до 24) заставил кадр расположиться на двух стульях, и теперь он занимает 2*16=32 бита. Избыточное количество битов в кадре (32-24=8) маскируется или другими словами, «выбрасывается в пропасть».
Но вернемся к процессу записи (для удобства остановимся на двух основных). Оцифровка сигнала осуществляется с применением параллельного кода (PCM – Pulse Code Modulation), и последовательного (DSD - Direct Stream Digital) кода и в таком виде пишется на носитель (в нашем случае компакт – диск).
Ремарка: шикарный способ фазовой модуляции для кодировки звука, но дальше Hi-Fi стерео в видеомагнитофонах продолжения пока не имеет, надеюсь пока.

Оба стандарта довольно «пожилые». И если стандарт ИКМ например у всех на слуху, особенно у телефонистов, то второй, не что иное, как ШИМ – модуляция. Последнее согреет душу всем разработчикам импульсных источников вторичного электропитания. Просто у них задача обратная - не создавать синусоиду, а подавлять.
Иллюстрация ШИМ–кодера приведена внизу и у многих вызовет ностальгию воспоминаниями об усилителях, работающих в классе “D” и полевых транзисторах на которых (и только) можно было реализовать этот принцип. Но об этом чуть позже.

Многие мастер - копии записаны именно в последовательном коде, что немаловажно. Поэтому фирма SONY, которая является одновременно звукозаписывающим концерном и владельцем (вместе с “PHILIPS”) авторских прав на стандарт CD предложила уйти от преобразования в параллельный код и предложила развивать формат DSD, который имеет ряд неоспоримых схемотехнических преимуществ перед PCM – преобразованием. Линейка этой техники получила название SACD (Super Audio CD).
В чем перспектива этих форматов?

Понятно, что PCM может двигаться в двух направлениях:
-увеличение количества битов (что и видим в спецификациях до 24, что близко к теоретическому максимальному динамическому диапазону);
- увеличение частоты выборки до 192кГц;
Что собственно и сделано в формате DVD –Audio, который, по сути, и не является новым стандартом, а всего лишь развитием PCM.
Какие плюсы имеет DVD –Audio?
Начнем со стандартных уже 24 бит.
Реализовать увеличение динамического диапазона за счет увеличения числа битов, довольно сложно начиная уже с момента записи.

Слабо представляю себе, сколько может стоить студия звукозаписи со 100дБ динамическим диапазоном. Да и писаться в ней сможет только английская королева с Майклом Джексоном и сэром Полом.
Другое дело частота дискретизации. Ее повышение требует всего лишь смены парка звукозаписывающей техники в части оцифровки сигнала, что в принципе несложно. Размеры файлов при этом возрастаю примерно в 4 раза. Так ведь эту емкость перекрывает DVD диск, стоимость которого не намного выше стандартного компакт – диска, поэтому непонятно почему так тяжело «подымается» этот формат. А ведь плюсы увеличения Fs заметно ощутимы.

"Виновник" появления цифровой записи Котельников был прав говоря об достаточности удвоенной частоты выборки для процесса перевода «аналог – цифра», но обратный процесс «цифра – аналог» на краю полосы (22кГц) требует не 2 – кратной, а изначально 8 кратной выборки.

2-кратное (44кГц) же преобразование вносит дикие искажения в высокочастотный сигнал. А «исправляются» эти искажения при помощи цифровой фильтрации методом многократной (8 и даже 16 раз) передискретизации. Отсюда и желание многих разработчиков от нее избавиться. Но сделать этого корректно в рамках частоты 44кГц, как по мне, вряд ли возможно, потому, как не хватает начальной информации.

К сожалению, на этапе воспроизведения при повышенном разрешении не все так гладко.
Отвечать требованиям стандарта 24*192 и бюджетным ограничениям можно только применяя Дельта-сигма преобразование. При этом в плеерах применяются недорогие чипы, поскольку работает принцип: «в спецификации написано 24*192 – что тебе еще надо?».

Если же идти путем построения тракта по принципу R-2R, (который отвечает требованиям качественного звуковоспроизведения) то стоимость только микросхем цифрового тракта заметно превысит бюджет среднеценового DVD изделия в целом. И получается, замкнутый круг: формат не развивается, потому, что нет покупательского спроса (моды), а спроса нет, потому, что парк DVD - плееров и фонотека, мягко говоря, не соответствуют возможностям самого DVD – Audio и как следствие, не дают прибавки в качестве и вызывают законный вопрос: «А ради чего, собственно?».