Откуда берется качество винила? Часть 1

Догонит ли цифра винил?

ОТ АВТОРА

Статья была написана давно и даже я (автор) сейчас не во всем согласен с тем, что написано здесь. Но удалять не буду. Пусть остается, как память. Прочтите, если интересно.

Но для понимания вопросов аналогового и цифрового аудио я рекомендую прочесть современные статьи:

1. Аналоговое и цифровое аудио (что лучше и почему?)
2. Что такое высокое разрешение аудио?
3. Что такое PCM?
4. Что такое DSD? (на русском)
5. DSD vs PCM
6. DSD vs FLAC vs WAV. В чем разница? (на русском)
7. DSD и PCM ЦАП (на русском)
8. NOS ЦАП (на русском)
9. Лучший аудио формат
10. Лучший аудио формат для риппинга CD
11. Другие статьи по теории аудио

     С момента появления цифровых форматов бытовой звукозаписи, анонсировавших непревзойденную чистоту звучания, полное отсутствие «виниловых» потрескиваний и шумов в паузах, начали разгораться нешуточные споры о «сухости» CD-звука и отсутствии «мягкости» (или там еще чего) винила. Была порождена целая плеяда эффектов обработки звука (плагинов), накладывающих шумы и потрескивания пластинок на качественную CD-запись (вспомним старый добрый трип-хоп в исполнении Portishead). Но от этого звук CD все равно не стал ни лучше, ни хуже, а только, подобно электрическому камину с искусственным пламенем, – слегка уютнее.
    Так почему же морально-устаревший винил зачастую признается знатоками, более качественным источником звука, чем CD? Нет ли в этом какого шаманства? Попробуем отбросить мистику и разобраться с чисто технической стороной вопроса.


    96 и 192 кГц

    Что есть звук? Физически – это изменяющееся во времени давление на барабанную перепонку человеческого уха. Сила давления повторяет форму электрического напряжения на входе колонок. Любую форму напряжения можно представить, как сумму бесконечного количества синусоид с различными:
    - амплитудами (грубо говоря, силой колебания);
    - частотами (количество циклов [периодов, повторов] синусоиды в секунду или Герц [Гц]) от 0 до бесконечности;
    - фазами (грубо: относительная временная задержка во времени между синусоидами).




    На основании экспериментов было принято (замечу: для среднестатистического уха), что человек слышит частоты от 20 до 20000 Гц. Попробуем привязать эти цифры к клавишам пианино. Самая верхняя нота фортепиано (ля 4-й октавы) имеет частоту 3520 Гц (3520 циклов в секунду). Звук фортепиано состоит не только из одной этой синусоиды (1-й гармоники), но также из синусоид: 3520 Гц * 2=7040 Гц (2-я гармоника); 3520 Гц * 3=10560 Гц (3-я гармоника); …; 3520 Гц * 5=17600 Гц (5-я гармоника).

    Как происходит преобразование этих синусоид (неразрывных во времени) в цифровой сигнал. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует звук (например, сигнал на входе звуковой карты) в цифровые отсчеты, представляющие величину уровня сигнала в равномерно отстоящие друг от друга моменты времени.
    Если частота дискретизации равна 44,1 кГц (килогерц), то это значит, что каждую секунду измеряется по 44100 значений уровня сигнала (отсчетов).



    Исходный сигнал (как и сигнал на виниловой пластинке) изменяется плавно без скачков, а восстановленный из цифровых отсчетов - уже представляет собой ступенчатую линию, так как уровень сигнала на выходе цифрово-аналогового преобразователя (ЦАП – например, выходное устройство звуковой карты) держится постоянным до тех пор, пока не придет время очередного отсчета.



    Первая гармоника верхней ноты фортепиано имеет 3520 циклов в секунду. За один цикл успевает проскочить 12 отсчетов при оцифровке. То есть, вместо непрерывной функции, мы видим 12 ступенек. А пятая гармоника (17600 циклов в секунду) уже представляет собой всего 2 ступеньки.



    Скажите мне теперь: очень ли похожи прямоугольники и синусоиды на слух? Музыканты, работающие с синтезаторами, меня поймут. В аналоговых синтезаторах имеются генераторы синусоидальных, прямоугольных, треугольных и прочих форм волны. Даже неискушенный слух заметит различие между прямоугольным и синусоидальным колебанием. Приблизительно тоже самое происходит при сравнении непрерывного исходного аналогового сигнала с его восстановленным ступенчатым образом. Причем, искажения усугубляются с ростом частоты сигнала (номера гармоники). Этим-то и объясняется «сухость» CD-шной цифровой записи.


    Люди, знакомые с теоремой Котельникова, знают, что при оцифровке сигнала, частота дискретизации (количество измерений за секунду) должна превышать максимальную частоту сигнала (т.е. верхнюю слышимую частоту 20 кГц) в 2 раза, что составляет 40 кГц. Но для чего достаточно? Теорема Котельникова разрабатывалась для радиотехнического назначения, где результат оцифровки, в большинстве случаев, не предназначен для прослушивания. А если и предназначен, то требования к качеству звука не для аудиофилов. А вот в аудиотехнике это допущение теоремы Котельникова способствовало негативному эффекту «сухости» (или чего-то там еще) звучания цифровой записи.
    Теперь вернемся к пятой гармонике верхней ноты фортепиано, которая чудесным образом превратилась из синусоиды в прямоугольник. С ростом частоты дискретизации до 192 кГц – она будет состоять уже не из 2-х, а из целых 11 ступенек, что, все-таки, больше будет напоминать исходный аналоговый сигнал.


    16 и 24 бит

    Теперь рассмотрим разрядность измерений – те самые 16 и 24 бит. Они представляют собой точность, с которой производится измерение уровня сигнала. Чем больше разрядов – тем точнее измерение, тем ближе ступенчатая функция к оригиналу. При преобразовании аналогового сигнала в цифровой, измерение уровня сигнала осуществляется тоже дискретно (ступенчато). Исходное (непрерывное аналоговое) значение округляется до ближайшего целочисленного значения сетки уровней аналогово-цифрового преобразователя.



    Например, сетка уровней представляет собой следующий ряд напряжений:

 -5; -4; -3; -2; -1; 0; 1; 2; 3; 4; 5 вольт
с шагом 1 В.

    Измеряемое значение пусть будет равно 3,34 В. При аналогово-цифровом преобразовании оно попадает между значениями 3 и 4 вольта сетки уровней АЦП. Уровень 3,34 В округляется до ближайшего целого 3 В и в цифровом виде сохраняется именно 3 В. Восстановленное значение отсчета тоже будет 3, а не 3,34 вольта (погрешность восстановления составляет 0,34 В). Что также приводит к возникновению искажений.
    А теперь пусть сетка АЦП у нас будет в два раза точнее:

-5; -4,5; -4; -3,5; -3; -2,5; -2; -1,5; -1; -0,5;
0;
0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4; 4,5; 5 вольт.
с шагом в 0,5 В.

    Количество двоичных разрядов каждого отсчета (измерения) должно возрасти в этом случае вдвое.
    Теперь исходный уровень 3,34 В попадает между значениями 3 и 3,5 сетки уровней АЦП. Уровень будет округлен до ближайшего значения сетки уровней и примет значение 3,5 В. Погрешность между исходным и восстановленным сигналом 3,5-3,34=0,16 В (вместо 0,34 В при крупном шаге сетки).
   Эти погрешности порождают так называемый шум квантования.

    Количество разрядов имеет особое значение при оцифровке тихих звуков, даже на низких частотах.



    Это приводит к тому, что форма сигнала, восстановленного из «цифры» превратится, снова из синусоидальной в прямоугольную, со всеми вытекающими ухудшениями звучания, которых нет в аналоговой «гладкой» (виниловой или магнитофонной) записи.   
    Поэтому, для симфонической музыки, которая имеет, как очень тихие фрагменты, так и очень громкие, количество разрядов особенно критично. Впрочем, другие музыкальные направления тоже много теряют от вносимых искажений.

    Но не стоит считать, что виниловая или магнитофонная запись не вносят никаких искажений в исходный сигнал. Как только акустическая волна попадает в аппаратуру, то искажения неизбежно корректируют ее форму. Но об этом в другой раз…

    Что дальше?

    Так где же путь улучшения качества цифровой аудиозаписи, приближения ее к аналоговой, а - еще лучше - к оригинальной акустической волне? Чтобы понять, почему так долго живет формат CD – 44 кГц 16 бит, надо вернуться к истории. Этот формат стал первым широко распространенным в бытовой аудиотехнике. Он обеспечил качество звука несравненно более высокое, чем среднестатистический кассетный магнитофон, на среднестатистической кассете, подарил удобство пользования (кто еще помнит утомительные перемотки и навороченную технологию автопоиска, истиравшую кассету), избавил от износа носитель фонограммы (винил – царапается иглой, магнитофонная пленка – стачивается головкой). Частота дискретизации была выбрана из критерия обеспечения максимума качества при примерно часовом звучании альбома.
    Позже, во времена диалаповских низкоскоростных модемов и помегабайтовых тарифов за интернет, появился славный формат mp3, позволявший сжимать CD раз в 10, при снижении качества, заметном только на хорошей аппаратуре. Формат mp3 основан на урезании той информации и в тех местах фонограммы, где эта информация, по-мнению, mp3-кодека не особо значима. Но, это – опять же приводит к искажениям, не допустимым, для ценителя звука.
    Теперь, когда безлимитный интернет и винчестеры огромной (по меркам 10-15 летней давности) емкости стали никому не в диковинку, смысл mp3 становится все менее очевиден (не считая, конечно, применения в мобильных устройствах). Признаком тому служит постоянно ширящееся распространение lossless формата flac (lossless – сжатие без потерь качества).
    CD-формат все еще жив благодаря своей невероятно широкой распространенности, но прогресс, благодаря стремительно увеличивающейся емкости носителей фонограмм (DVD, двухслойный DVD, Blue-Ray, что там еще дальше?), неуклонно идет к распространению многоканальных (5.1 и 7.1) записей качества 24 бит и 192 кГц (а эти параметры, похоже, тоже не последний предел). Поэтому, скорее всего, в перспективе старые добрые винил и игольчатый проигрыватель перестанут быть образцом мягкости и теплоты звучания, перейдя из области Hi-End в область дизайна интерьеров богатых квартир и вилл, подобно патефонам, граммофонам и телефонам, сделанным под старину.

Смартфоны и коммуникаторы Asus

МУЗыкАЛЬНАЯ ЛАборАТориЯ