Самарский портал "Технологии, компьютеры"

Поводов взяться за перо было предостаточно, однако каждый раз они были недостаточными для того, чтобы довести меня до точки кипения. Ничего такого не случилось и в последнее время, однако в какой-то момент я дал людям обещание написать, и теперь оно на мне висит. Точнее, раз вы читаете этот материал, висело.

Главной задачей аудиоиндустрии всегда была точность воспроизведения записанного звука, его близость к оригиналу, то, что впоследствии так и стало называться: Hi-Fi (англ. High Fidelity — высокая точность, высокая верность). Поначалу большое значение имела стабильность скорости воспроизведения. На механических патефонах за скорость отвечал регулятор Уатта и дело там обстояло совсем плохо. В финале проблема решилась использованием кварцевого генератора и стробоскопа с обратной связью вместе с увеличением момента инерции диска. Немало неприятностей доставляли вибрации механизма привода диска, пока не был ликвидирован сам механизм, а момент стал передаваться с обмоток статора непосредственно на сам диск (Direct-drive turntable). Такие вертушки в мире появились на рубеже 60-70, (в СССР в середине 80-х) и с тех пор не претерпели принципиальных изменений. Прогресс в звукоснимающей части (тонарм, головка, игла) был более плавным, и, если так можно выразиться, разнообразным, поскольку если со скоростью вращения и вибрациями разобрались кардинально, то приближать форму электрических колебаний на выходе из проигрывателя к изгибам дорожки винилового диска можно бесконечно и, простите за выражение, асимптотически. Такая же картина с асимптотическим приближением наблюдается на следующих двух этапах воспроизведения звука: в усилителе и колонках.

При этом усилитель и колонки не претендовали, и, похоже, никогда не будут претендовать на переход от аналога к цифре. Возможно, в части настройки, адаптации к акустике помещения и прочих сервисов что-то и будет происходить, но сам процесс усиления электрических колебаний и их преобразования в колебания воздуха так и останется аналоговым в силу физической природы. Поэтому все главные изменения звуковоспроизведения происходили сначала в области носителей, а потом, когда носители перестали иметь значение, в области форматов файлов.

Революция произошла при переходе от аналогового винила к цифровым CDDA (Compact Disc Digital Audio). Если говорить совсем простым языком, то на CDDA в специальном формате записаны изгибы дорожки винилового диска в координатах время-амплитуда. Сразу же становится понятно, что записать координаты каждой точки кривой невозможно даже теоретически, поэтому существует некоторый шаг временной шкалы, значения внутри которого при воспроизведении аппроксимируются, то есть вместо ступенек на выходе мы имеем опять гладкую кривую. Вот только форма этой кривой несколько отличается от исходной, потому что как бы ни были хороши алгоритмы аппроксимации, им не дано угадать, что же было в начале.

Повысить точность воспроизведения можно двумя способами: «тупым», когда просто уменьшается шаг и увеличивается объём записанного файла и «умным», когда кодек понимает, где надо сделать шаг меньше, а где больше. Самый просто пример – с паузами, когда шаг может быть увеличен вплоть до нескольких секунд. На самом деле всё, конечно, очень сложно и связано как с математикой, так и с физиологией восприятия звука. Например, когда после громкой музыки сразу звучит тихая, ухо в первый момент не успевает «остыть» и различает не очень хорошо: тут можно схалтурить и подсунуть ему не очень качественный звук.

Ещё одной возможностью интеллектуального кодирования является замена координат точек на аналитическую функцию, которую в точки преобразует кодек проигрывателя. Таким образом, частота дискретизации на этом участке будет зависеть уже только от вычислительных возможностей проигрывателя, что позволит резко улучшить точность воспроизведения без увеличения размера записываемого файла.

Следует отметить, что CDDA кодировались весьма примитивным способом, это позволяло встраивать кодек прямо в оптический привод компьютера: опытные пользователи должны помнить рудиментарное 3,5 мм гнёздо аудиовыхода на старых оптических приводах. Сегодня кодеки используют всю мощь современных вычислительных платформ. Одновременно вырос и объём: аудиозапись полуторачасовой «Женитьбы Фигаро» Моцарта «весит» около 40 гигабайт!

Конечно, количественно сравнивать качество звучания не очень корректно, однако с учётом повышения вычислительной производительности проигрывателей и совершенствования кодеков эта запись должна быть качественнее (то есть точнее) CDDA по самым пессимистичным подсчётам не менее чем в 1000 раз.

Впечатляет? То есть если даже считать, что CDDA не дотягивал до винила раз в 500, то современные цифровые записи по точности всё равно его значительно превосходят. При этом очень важен отрыв контента от носителя и возможность его копирования любыми способами: от записи на сменный локальный носитель до передачи по сетям. Иногда приходится слышать утверждение, будто воспроизведение с фирменного диска качественнее, чем с беспородного носителя. На это у меня есть риторический вопрос: вы когда-нибудь видели, чтобы в письме при передаче потерялась буква? Протоколы передачи данных устроены так, что вместе с каждой порцией данных идёт их опись. Получатель сверяет данные с описью, в случае несовпадения отказывается расписываться в получении и требует повторить процедуру передачи. Такой принцип замедляет процесс передачи, поскольку некоторые пакеты приходится передавать по нескольку раз, но зато и гарантирует не просто очень точное, а полное совпадение отправляемого и полученного файла.

Следует сказать, что преобразование записанного закодированного звука в аналоговый сигнал, пригодный для подачи на вход усилителя, происходит в два этапа. На первом этапе упакованный в файл звук декодируется и превращается в стандартный цифровой поток, понятный любому цифро-аналоговому преобразователю (ЦАП), на втором с помощью ЦАПа происходит трансформация цифры в аналоговый сигнал. Этот цифровой поток уже не имеет пакетных протоколов и не проверяется по описи получателем, однако он передаётся по короткому медному экранированному или оптическому кабелю, поэтому ни один «да» и «нет» («0» и «1») не потеряется. Искажения, опасные для аналогового сигнала, цифровому не страшны: пока «0» отличается от «1» всё в порядке.

Отсюда следует одна важная вещь: поскольку все искажения начинаются только после ЦАПа, он должен находиться в корпусе усилителя, и тогда его аналоговый тракт будет предельно коротким, к тому же без разъёмных соединений. Именно на ЦАПе кончается цифровая математика и с него начинается аналоговая «химия». До него система может не уметь воспроизводить аудиоформат, не успевать его декодировать, делать паузы, всё это на логическом уровне «да» и «нет»: или работает, или не работает. После ЦАПа начинаются аналоговые тонкости, и вот здесь цифра опять способна оказать помощь. Дело в том, что все последующие каскады усиления привносят свои искажения линейности сигнала, то есть усиливают его не строго с одним коэффициентом во всём диапазоне громкости и частоты. Однако все эти нелинейности конкретных компонентов заранее известны, и никто не мешает скомпенсировать их на этапе цифро-аналогового преобразования. Более того, здесь можно поиграться с окраской звука, в том числе сымитировать особенности лампового усилителя. Точнее, ламповых усилителей различных моделей. Разумеется, всё это не отменяет потребности в хорошем усилителе, колонках и соединяющих их кабелей: математика не может заменить «химию».

Итак, из всего этого следуют два вывода.

1. Наилучшее качество контента получается при «консервировании» его в файлы, не подверженные никаким искажениям. Эти файлы будут идентично воспроизводиться на любом подходящем проигрывателе с любого носителя, как локального, так и сетевого. На выходе всегда будет получаться один и тот же цифровой поток. Результат аналогового воспроизведения зависит от множества факторов вплоть до атмосферного давления и влажности воздуха.
2. ЦАП и аналоговый усилитель должны находиться в одном устройстве и быть согласованы между собой.

Конечно, если кому-то нравится достать с полки пластинку в красивом конверте, поставить его на вертушку, бархоткой стереть пыль и услышать лёгкое потрескивание в паузах – это его личное дело, мало ил что кому доставляет удовольствие. Можно даже порассуждать про себя об особой музыкальной энергетике, которой обладает винил. Только не надо при этом говорить, будто точность воспроизведения с винила будет выше, чем из цифрового (а других и не бывает) файла.