Несмотря на все достоинства цифровых технологий, определенная часть аудиофилов до сих пор сохраняет верность аналогу. Именно они до сих пор покупают проигрыватели грампластинок и именно для них студии звукозаписи и сейчас выпускают коллекционные виниловые диски, звук на которых «живой», а не «мертвый», как в случае с CD. Чтобы разобраться, насколько обоснованы претензии «старообрядцев» к цифровым технологиям, нам придется кратко разобраться с основными понятиями цифрового звука, а также рассмотреть основные типы носителей аудиоданных.

Can you hear the music, hangin’ in the air?

В аналоговой аппаратуре звук¹ представляют колебаниями тока в электрической цепи. Такие колебания называют аналоговым сигналом. Цифровая аппаратура оперирует наборами чисел и не знает никаких непрерывных электрических сигналов. Поэтому и звук (аналоговый сигнал) представляется в цифровой аппаратуре набором чисел. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется аналогово-цифровым преобразованием². Аппаратное устройство, занимающееся таким преобразованием, логично называется аналогово-цифровым преобразователем или сокращенно АЦП.

Принцип работы АЦП следующий. На вход устройства подается непрерывный аналоговый сигнал, а на выходе через определенные промежутки времени снимаются численные значения его уровня (амплитуды³). Во время прохождения аналогового сигнала через АЦП происходят два процесса — дискретизация во времени и квантование по уровню (квантование значений амплитуды). Дискретизация сигнала во времени заключается в измерении значений амплитуды аналогового сигнала через определенные промежутки времени, называемые шагом дискретизации. Чем выбранный шаг меньше, тем, соответственно, чаще замеряются значения амплитуды. Количество осуществляемых замеров амплитуды в одну секунду называют частотой дискретизации (или частотой выборки) сигнала (рис. 1).

Квантование измеренных значений амплитуды сигнала представляет собой процесс замены этих значений приближенными с определенной точностью (рис. 2). Необходимость производимых округлений вызвана невозможностью записывать с бесконечной точностью реальные значения амплитуды сигнала.

Точность осуществляемого округления зависит от выбранного количества уровней квантования: чем больше уровней квантования, тем на меньшую величину приходится округлять измеренные значения амплитуды, и, таким образом, тем меньше получаемая погрешность.

Например, при наличии всего двух уровней квантования — «1» и «0» (то есть случай примитивного однобитного АЦП) измеренные значения амплитуды сигнала округляются до «есть» и «нет». В случае же, например, 16-разрядного АЦП количество уровней квантования равно 216 = 65536 уровней.

Итак, оцифровка сигнала представляет собой процесс регистрации амплитуды сигнала через определенные промежутки времени и вывода зарегистрированных значений в виде округленных числовых значений. Полученные числовые значения амплитуды сигнала называют отсчетами. Очевидно, что чем выше частота дискретизации и чем выше разрядность квантования, тем точнее получаемая цифровая информация описывает оригинальный аналоговый сигнал. Способ хранения оцифрованного сигнала в виде последовательности чисел, описывающих абсолютные значения амплитуды сигнала, называется ИКМ — импульсно-кодовая модуляция (PCM — pulse code modulation). Надо особо подчеркнуть, что объем оцифрованных данных напрямую зависит от выбранных параметров оцифровки: чем выше частота дискретизации и разрядность квантования, тем больше памяти требуется для хранения оцифрованных данных.

Стандартный аудио компакт диск (CD-DA) несет информацию в формате ИКМ с параметрами 44100 Гц/16 бит/стерео (частота дискретизации/разрядность квантования/количество каналов).

Чтобы воспроизвести (проиграть) цифровой сигнал, необходимо преобразовать его обратно в аналоговую форму. Этим занимается специальное устройство — ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), который решает задачу, обратную дискретизации: по имеющейся цифровой информации путем интерполирования «строится» аналоговый сигнал. Именно на этом этапе (то есть на этапе восстановления) и выясняется важность параметров оцифровки сигнала. Если в ходе аналогово-цифрового преобразования частота дискретизации и разрядность квантования были выбраны низкими, то восстанавливаемый ЦАП’ом сигнал вследствие вынужденной грубой интерполяции может сильно отличаться от оригинального аналогового сигнала. Отсюда напрашивается, казалось бы, простой вывод, а именно: для получения в конечном итоге качественного сигнала на выходе ЦАП нужно брать как можно более высокую разрядность квантования АЦП при минимальном возможном шаге дискретизации. На практике, к сожалению, это невыполнимо в виду ограниченности объемов памяти. С другой стороны, стремясь получить данные как можно меньшего объема и занизив с этой целью параметры оцифровки, можно тем самым легко навредить качеству сигнала⁴. В частности, выбор низкой разрядности квантования ведет к зашумлению сигнала (так называемый шум дробления⁵), в то время как выбор низкого значения частоты дискретизации ограничивает верхний порог сохраняемых частот.

1 (назад) Звук (в контексте статьи) — это волнообразные колебания воздушной среды, воздействующие на нервные окончания человеческого уха. В общем случае определение звука шире: колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах (БСЭ).
2 (назад) В принципе, такое преобразование справедливо для любого аналогового сигнала, независимо от его истинной природы.
3 (назад) Под амплитудой сигнала здесь и в дальнейшем будем понимать величину сигнала в текущий момент времени.
4 (назад) Под качеством сигнала здесь подразумевается степень схожести сигнала, восстановленного из цифровой формы и оригинального аналогового.
5 (назад) Он же шум квантования.