Этот материал был опубликован в журнале Install Pro (март 2000г. номер 3) и размещен здесь в сокращении.
Автор: Б.Я.Меерзон
Новые носители видео- и аудиоинформации на основе технологии DVD (Digital Versatile Disk), т.е. цифровые многоцелевые диски, изначально предназначались для записи видеофильмов. Однако, DVD могут быть применены и в новом для них качастве - специально для записи только звука. Причем с помощью технологии DVD достигается значительное увеличение емкости памяти диска, появляется возможность разместить на нем большее количество каналов, да еще и с лучшим по сравнению с CD качеством звучания. А если принять во внимание, что удается обеспечить совместимость новой сиситемы с существующими стандартами CD, то вполне понятен интерес, проявленый к DVD некоторыми производителями звукозаписей.
Тем не менее, сегодня говорить о широком распространении DVD в области чисто звуковых технологий несколько преждевременно. Дело в том, что до сих пор ведутся споры вокруг выбора оптимального формата цифровой записи звука на диск, не определен окончательный и единый в мире стандарт для этого вида продукции.
В статье делается попытка дать краткий обзор цифровых форматов, предлагаемых различными фирмами для записи звуковых DVD.
Прежде всего напомним, что представляет собой DVD-Video. Это натуральный мультимедиа-диск, с которого цифровая информация считывается методом аналогичным CD-ROM. Управляющая электроника здесь также подобна CD-сиситемам. Диаметр DVD такой же, как у CD-ROM, т.е 12см, но толщина диска вдвое меньше. Для сохранения механической прочности два диска соединяются обратными сторонами вместе (спина к спине), благодаря этому общая толщина увеличивается еще на 0,6мм и становится равной толщине обычных CD-ROM. Однако, при этом вдвое увеличивается емкость памяти такого гибридного диска, т.к. носителями информации могут служите оба его слоя.
Таким образом, при тех же габаритах благодаря значительно большей по сравнению с CD плотности записи (за счет уменьшения длины волны лазера и расстояния между дорожками), рациональному расположению цифровой информации на слоях диска, а также эффективной цифровой компрессии данных, на диск DVD вмещается 135мин широкоформатного видеофильма с качеством, соотвествующим общеизвестным в мире нормам MPEG-2, а кроме того, несколько аудиоканалов и дополнительных каналов субтитров. Записанный материал может быть представлен на выходе в различных телевизионных системах (NTSC, PAL, SECAM). Подробнее о DVD стандарте написано здесь. Кстати, нормы MPEG-2 соответствуют европейскому видеостандарту для цифрового TV-вещания. Это также способствует широкому распространинию DVD-Video на рынке видеопродукции.
А вот со звуковым рядом DVD-Video дело обстоит не так однозначно. Звуковой ряд фильмов до сих пор записываетсы в различных форматах:
На DVD, предназначенных для так называемых 50-Гц (европейских) стран, звук записывается либо в формате MPEG, либо PCM, в то время как для 60-Гц стран (США) - непременно в формате AC-3 или PCM. Соответственно должны использоваться и DVD-плейеры, поддерживающие эти стандарты.
Аппаратура воспроизведения должна такжде создавать из многоканального (5.1) звука двухканальный смикшированный, а с помощью декодера Dolby-ProLogic превращать при необходимости двухканальный вновь в Surround-каналы.
Итак, к цифровым видеодискам предъявляется целый ряд следующих специфических "Голливудских требований":
Обеспечить все эти требования стало возможным благодаря способам кодирования, позволяющим достичь максимальной емкости памяти диска. А для этого пришлось использовать самую эффективную технику компрессии (цифрового сжатия) аудио и видеоинформации и повысить, насколько это возможно, плотность записи цифрового потока. Для реализации последнего требования необходимо иметь очень короткие дляны волн лазера. К сожалению, существенного сокращения длины волны с помощью дешевого плупроводникового лазерного диода еще не достигнуто. Остается только ждать реального появления настоящего голубого лазера. А сегодня приходится расчитывать на достаточно высокую линзовую апертуру (диафрагму), что уменьшает производственные допуски на сами диски и дисководы и увеличивает стабильность воспроизведения.
Увеличить емкость диска еще почти в два раза можно за счет распределения информации на двух слоях. При такой двухслойной технике один из двух слоев - частично отражающий, а частично прозрачный, а второй слой - полностью отражающий. Емкость такого диска возрастает до 8,5Гб вместо 4,7Гб у однослойного. Однако и цена такого изделия повышается.
Так или иначе, предпосылки для использования технологии DVD специально для записи чисто звукового материала налицо. Надо лишь разобраться в причинах бесконечных споров и непрекращающейся борьбы прризводителей за принятие единого стандарта на аудиопродукцию завтрашнего дня.
Какие же форматы записи рассматриваются как наиболее перспективные в связи с созданием нового поколения аудиооборудования? Что могло бы стать единым в мире стандартом, признаваемым и фирмами-изготовителями аппаратуры и производителями музыкальной продукции? Вопрос пока в мировом масштабе однозначно не решен.
Различные группы экспертов в области аудиоиндустрии регулярно вносят свои, не всегда совпадающие, предложения по аудиоформату. Наиболее известно частное объединение, в котором в Англии играет ARA (Acoustic Renaissance Audio). А Японскую ассоциацию представляет в этом споре ADA (Advanced Digital Audio). ADA является сторонником большой частотной полосы, примерно до 100кГц, равную или даже более широкую, чем обеспечивают аналоговые устройства. Но основное требование всех групп - доведение динамического диапазона до 120дб для аналоговой части аппаратуры и до 144дб - для цифровой ее части. И если западный мир отстаивает многоканальный звук, то японская сторона здесь придерживается мнения, что в домашних условиях вполне достаточна двухканальная стереосистема. Время проигрывания также является темой дискуссий специалистов, ясно лишь одно - новая звуковая продукция должна по качеству воспроизведения звукового музыкального материала превосходить своего предшественника - обычный CD. Ниже сформулирован ряд общих требований к новому звуковому диску, который придет на смену CD и к новому поколению аудиоаппаратуры:
Чтобы оценить различные требования, выдвигаемые к звуковым DVD и взвесить реальность их практического воплощения, мы должны освежить в памяти основные сведения о технике и средствах создания цифровых аудиопрограмм, сравнить их с возможностями человеческого слуха и уже тогда рассмотреть границы технически достижимых результатов разработок и возможность выбора необходимых компромиссных решений.
Чтобы преобразовать аналоговый сигнал в цифровую форму его через регулярные промежутки времени необходимо дискретизировать, т.е. величина отдельных выборок измеряется и запоминается, как целое число единичных шагов (ступенек). Точность преобразования определяется количеством бит, а также, точностью следования импульсов во времени. Округленная ошибка замера есть разница между аналоговой величиной и следующим целым числом. Проявляются эти ошибки, как шум квантования. В процессе преобразщования в цифровую форму аналоговый сигнал ухудшается дважды. Во-первых, в результате дискретизации синусоидальный сигнал приобретает ступенчатую форму, что само по себе не естественно и не точно отображает ход оригинальной кривой. Во-вторых, в схеме применяется крутая фильтрация, что также не натурально. Поэтому частоту дискретизации преобразователя увеличивают, например, в четыре раза. Далее, чтобы уменьшить влияние искажений из-за ступенчатой формы квантования, перед квантованием к полезному сигналу подмешивается шумовой сигнал, так называемый dither-сигнал (белый шум).
В сигнале без dither`а ошибки квантования проявляются только на определенных частотах, после фильтрации и округления в его спектре возникают дополнительные высшие гармоники. А при наличии dither`а ошибки квантования выглядят как шум. Таким образом получается поразительный эффект улучшения звучания за счет того, что гармонические искажения спектра полностью исчезают и их заменяет более приятный на слух белый шум.
Какая же разрешающая способность цифрового преобразования необходима для достижения действительно высокого качества звучания? Известно, что частота дискретизации определяет наивысшую частоту передаваетого сигнала. Для CD принята частота дискретизации 44,1кГц и наивысшая частота сигнала округленно равна 20кГц. От разрядности кодирования зависит разрешающая способность передачи аналогового сигнала. Так, при 16 битах исходная кривая приобретает ступенчатую форму и содержит точно 65536 ступенек. Т.к. DVD-стандарт предусматривает запись PCM-звука с очень высоким качеством, что для этого всесто частоты 48кГц используется частота дискретизации 96кГц, что обеспечивает передачу полосы звуковых частот округленно до 44кГц. При применении для кодирования 20 или 24 бит можно получить 1048576 или даже 16777216 ступеней. А между тем эти технические параметры влияют на звучание самым непосредственным образом. Отношение сигнал/шум увеличивается от 96дб для CD (16 бит), до 120дб (20 бит, 96кГц) или до совершенно невероятной величины 144дб (24 бита).
Первые плейеры для дисков супервысокого класса качества звучания были выпущены в Японии и США. Эти модели уже поддерживают стандарт 20бит/96кГц. Диски, записанные в таком стандарте, теперь имеют свое название: DVD-Audio. Стандарт DVD-Audio дает возможность получить отчетливое улучшение звука против сегодняшних норм для звуковых CD. Сейчас многие студии звукозаписи работают с 20-разрязным кодированием. А удвоение частоты дискретизации до 96кГц позволяет к тому же передать частоту далеко за пределами слышимого диапазона. Поэтому некоторые производители уже теперь объявляют этот формат как Hi-Fi нормы на будущее. Есть еще одно приемущество такого формата: благодаря тому, что протребность в передаче цифр здесь намного меньше, чем для DVD-Video, открывается возможность приблизить диаметр диска к 8см, что позволило бы переносные плейеры сделать еще меньше и легче. А при 24бит/96кГц можно вместить в DVD-Audio до одного часа музыки высочайшего качества.
В 1997г. фирмы Philips и Sony совместно разработали альтернативную так называемую Bitstream-технологию, или по другому Direct-Stream-Digital (прямой цифровой поток). Это особая форма цифрового сигнала, которая отличается в основе от PCM-метода. При PCM выборки сигнала, следующие друг за другом через жестко установленные равные временные интервалы, выражаются действительными величинами, соответствующими кривой сигнала в данный момент времени и записываются в цифровой форме. Причем величины выборок выражаются совокупностью определенного количества бит (между 8 и 24). В Bitstream-способе, напротив, один бит следует за другим и величины 0 и 1 указывают только на то, в каком направлении изменился ход кривой (в большую или меньшую сторону). Причем частота следования битов (частота дискретизации сигнала) принимается значительно более высокой, чем для CD. Это обеспечивает ощутимое на слух повышение точности передачи динамики, т.е. разницы между громкими и тихими местами музыки. Практически 64-кратная по стравнению с CD величина частоты дискретизации представляется изобретателям достаточной. При этом сигнал измеряется не 44100 раз в 1сек, а 2822400 раз. Это значит, что за 1сек передается более 2,8млн. бит, что соответствует скорости предачи потока информации - 2,8224Мбит/с на канал. Канал CD использует только четверть этой величины.
Динамическим диапазоном до 120дб сейчас уже никого не удивишь, он обычен и при технологии PCM, но это величина становится сенсационной при плоской частотной характеристике до 100кГц, которая достигается при DSD. Это качество превосходит даже лучшие аналоговые студийные магнитофоны, которые работают на полдюймовой ленте со скоростью 30"(76,2см/c). Привлекательность идеи DSD обуславливается двумя основными обстоятельствами. Во-первых, в технике на основе очень высокой частоты дискретизации передаваемого сигнала единичные шаги PCM-отсчетов ускользающе малы, поэтому даже на самых низких уровнях передачи ступенчатость преобразования не воспринимается слушателем в виде характерной помехи (шумов квантования). Во-вторых, Bitstream-запись - это идеальный материал для перехода на любой из других видов цифровых стандартов: например, для перехода от стандарта DSD к частоте CD(44,1кГц) нужно просто произвести деление Bitstream-потока на 64. Подобным же образом, простыми арифметическими действиями можно перейти и к другим существующим в цифровой технике форматам (См. таблицу).
| Bitstream | Вычислительные операции | Частота дискретизации | Среда |
| 2,8224МГц | /64 | 44,1кГц | CD |
| 2,8224МГц | /32 | 88,2кГц | High Sampling Audio |
| 2,8224МГц | x5/441 | 32кГц | DAT,Digital-VCR,SAT-TV |
| 2,8224МГц | x5/294 | 48кГц | DAT,Digital-VCR,SAT-TV |
| 2,8224МГц | x5/147 | 95кГц | High Sampling Audio |
| 2,8224МГц | x5/143, x25/56 |
Чисто технические соображения, а в какой-то мере престиж фирм и экономические интересы послужили основанием к тому, что Philips и Sony предложили на основе технологии DSD альтернативный формат записи звуковых дисков суперкачества, который отличается от поддержанного еще в 1988г. практически большинством производителей бытовой электроники формата DVD-Audio с импульсно-кодовой модуляцией (20бит/96кГц). Диски, выпущенные с применением формата DSD, появились на рынке под собственным наименованием Super Audio CD (SACD). Разумеется, такой разнобой в форматах не делает жизнь производителей аппаратуры да и самого потребителя музыкальной продукции легче...
Оба формата практически неотличимы по качеству звучания на слух даже для самого профессионального слушателя и обеспечивают практически неотличимое звучние от оригинала на любом музыкальном материале. Этим они заметно превосходят звучание CD.
Слуховой порог (чувствительность слуха) для человека, обладающего не просто усредненным слухом, а "золотыми ушами", т.е. слухом с предельными возможностями, соотносится с возможностями линейной PCM-техники. Сравнение это было сделано для двух преобразователей: 16-битного с dither`ом и 20-битного при частоте дискретизации 96кГц.
Естественно, измерения уровней слуховых порогов производились с соответствующими характеристиками фильтрации. 20 бит при частоте дискретизации 96кГц вполне соответствует необходимому кавеству звука, т.к. шумы квантования лежат ниже уровня слухового порога. А вот DSD (Bitstream) c 64-кратной передескритизацией на слух воспринимается, по мнению многих уважаемых экспертов, еще лучше, чем 20-битная линейная PCM, правда, это ощущается в том случае, если мы хотим сохранить большую ширину полосы сигнала.
Среди производителей новых дисков не умолкают споры по поводу того, каким должен быть формат нового звукового диска. Однако самое главное заключается в том, что спор идет об установлении технических норм, но при этом иногда забывают пояснить, будет ли подобный продукт популярен в жизни, играет ли индустрия пластинок в унисон с разработчиками и насколько можно расчитывать, что новый DVD с записью одной только музыки будет востребован массовым потребителем. Конкретные фирмы-изготовители пластинок не проявили до последнего времени особого энтузиазма по поводу перехода на новый формат. Все они поддерживают в основном формат CD и отдают ему пока самый высокий приоритет, подготовку же новых технологий рассматривают как цель второстепенную.
Таким образом, сценарий вокруг окончательного единого формата DVD-звука еще достаточно туманен, спор о нем сегодня полностью не закончен и, наверное, смысла-то не имеет. Куда нас приведет дорога, можно только предполагать. Как говорится, поживем - увидим.
