css

Компания KORG представляет первую в мире серию высококачественных мобильных цифровых рекордеров, в конструкции которых применяется 1-битная технология записи. Сверхкомпактный рекордер MR-1 позволяет записывать и воспроизводить звук с разрядностью/ частотой сэмплирования 1 бит/ 2.8 МГц, в то время как настольная модель MR-1000 работает с разрядностью 1 бит на частоте 5.6 МГц, что вдвое превышаетстандарт цифровой записи DSD. Неотъемлемой частью этих 1-битных устройств записи является входящее в комплект поставки эксклюзивное программное обеспечение AuaioGate™.

 Программа AudioGate обеспечивает совместимость рекордеров MR-1/ MR-1000 с любыми распространенными ауднестандартами.
В данной работе мы подробно рассмотрим процесс цифровой аудиозаписи в формате РСМ и расскажем о преимуществах 1 - битного стандарта по сравнению с традиционными РСМ-технологнями.
Из всех существующих на сегодняшний день стандартов 1-битный формат с частотой сэмплирования 5.6 МГц обеспечивает наивысшее качество записи/воспроизведения. При этом пользователь без каких-либо затруднений может конвертировать сделанные записи в любой 1414-формат, сохраняя при этом исходную чистоту и прозрачность звучания.
1-битная технология была изобретена доктором Иошо Ямасаки (Yoshio Yamasaki), университет Васеда, Япония, в конце 80-х, и запатентована в 1992 году. В дальнейшем адаптированный вариант 1-битного стандарта был использован фирмами Sony и Philips при разработке форматов DSD (Direct Stream Digital) и SACD (Super-Audio Compact Disc). В открытой продаже диски SACD (на сегодняшний день более 4000 наименований) впервые появились в 1999 году.

ЦИФРОВОЙ ЗВУК -ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС

В системах аналоговой записи достоверность и динамический диапазон воспроизведения были ограничены физическими свойствами носителя — магнитной ленты, винилового диска и т.д. Кроме того, при каждом протягивании магнитной ленты вдоль головки магнитофона, или проходе иглы звукоснимателя вдоль дорожки пластинки происходит механический износ основы носителя, что существенным образом сказывается на качестве звучания. Ленты и пластинки нуждаются в специальных условиях хранения, например, ленту нельзя содержать вблизи источников магнитных полей, таких как акустические системы или компьютерные мониторы. Аналоговые носители отличаются дороговизной и ограниченной вместимостью, качество звучания аналоговой записи со временем неуклонно снижается.

В конце 1982 года на рынке появился первый общераспространенный цифровой стандарт — аудио CD. По сравнению с аналоговыми носителями новый стандарт обладал существенными преимуществами — прежде всего высокой достоверностью и большим динамическим диапазоном. Кроме того, данный носитель был намного удобнее для целей архивации и хранения аудиозаписей.

Что представляет собой цифровая запись? Аналого-цифровой конвертер преобразует непрерывную волновую форму в последовательность выборок, или «сэмплов». Для описания процесса аналогово-цифрового преобразования используются две величины: разрядность квантования и частота сэмплирования.


В примере (рис. 1) синими точками отмечены сэмплы, полученные конвертером из исходного аудиосигнала (непрерывная линия). Вертикальные линии сетки использованы для отображения частоты сэмплирования. Данная величина измеряется в Герцах (Гц) и определяет, сколько выборок производится за каждую секунду. Горизонтальные линии показывают разрешение каждой выборки, или разрядность квантования. Обратите внимание на то, что на иллюстрации положение синих точек не всегда совпадает с исходной кривой. Так происходит потому, что для данного примера взято низкое значение разрешения.

При записи аудио CD используются разрядность 16 бит и частота сэмплирования 44.1 кГц. Прежде чем мы продолжим наш разговор, давайте выясним, почему были выбраны именно такие значения параметров. Человеческое ухо воспринимает звуковые сигналы в диапазоне от 20 Гц (20 колебаний в секунду) до 20 кГц (20000 колебаний в секунду). Исследования показывают, что для точного воспроизведения частота сэмплирования должна быть вдвое выше самой верхней частоты исходного сигнала. В специализированной литературе данное правило часто называют теоремой Найквиста (Котельникова). Ниже (рис. 2) частота сэмплирования равна 30 кГц, в то время как частота аудиосигнала составляет 20 кГц.

Пунктирная линия показывает, что частота восстановленного сигнала в этом случае будет отлична от частоты исходного. Подобный эффект называется «алиазингом». Как мы уже говорили, верхним пределом восприятия для человеческого слуха является частота около 20 кГц. Согласно теореме Найквиста частота сэмплирования должна как минимум вдвое превышать данное значение. Именно поэтому для стандарта аудио CD используется частота сэмплирования 44.1 кГц. Данная частота является наименьшей, позволяющей корректно воспроизвести весь воспринимаемый человеком диапазон звуковых частот.

Разрядность квантования обычно измеряется степенями числа 2 — 8, 16, 24 и т.д. Более высокие значения разрядности увеличивают детальность воспроизведения, динамический диапазон аудиосигнала и нижний предел громкости, так называемый «шум квантования».

В системах цифровой записи динамический диапазон увеличивается по направлению от громкого сигнала к тихому, так как воспроизведение громкого сигнала для цифровых систем является более легкой задачей. Таким образом, искажения, вносимые цифровой записью, становятся наиболее заметными именно на тихом звуке. Увеличение разрядности квантования с 8 до 16 бит позволяет расширить динамический диапазон с 48дБ до 96дБ.
16-битное квантование обеспечивает динамический диапазон, существенно превышающий динамический диапазон аналоговых носителей, обычно составляющий 50 - 60 дБ. Восьми и двенадцатибитные системы такого преимущества не дают, именно поэтому в качестве стандартного для формата аудио CD было выбрано значение 16 бит.

Вскоре после появления формата CD стали разрабатываться системы цифровой записи с более высокими частотой и разрядностью. Нетрудно догадаться, что увеличение этих параметров позволяет существенно повысить качество записи и воспроизведения. Например, переход от 16-битного к 24-битному формату позволил расширить динамический диапазон приблизительно до 110 дБ. Однако следует отметить, что с каждым увеличением разрядности глубина динамического диапазона растет медленнее.
Без сомнения, современные системы записи, использующие формат 24 бит/192 кГц, звучат очень хорошо. Однако, если подойти к решению проблемы с другой стороны, можно добиться дальнейшего улучшения качества сигнала.
Возможно, кого-то это удивит, но большинство современных 24-битных конвертеров использует высокоскоростное 1-битное преобразование. Затем устройство, называемое прореживающим фильтром (decimation filter), преобразует полученный 1-битный сигнал в многобитный с нужной разрядностью. При этом в сигнал вносятся неизбежные ошибки округления.
Кроме того, для борьбы с эффектом алиазинга мультибитный конвертер должен содержать обрезной фильтр, отбрасывающий частоты выше половины частоты Найквиста. Таким образом, в преобразователе, использующем частоту сэмплирования 44.1 кГц, должен быть установлен обрезной фильтр ВЧ с пороговой частотой 22.05 кГц. Нетрудно догадаться, что данный фильтр, несомненно, вносит искажения в фазовые, линейные и переходные характеристики аудиосигнала. Степень искажений зависит от математической модели фильтра, алгоритма прореживания и т.д. В известной степени данный процесс можно сравнить с записью одного и того же микрофона через предусилители различных моделей.

В процессе цифроаналогового преобразования данные из формата РСМ снова конвертируются в аналоговый сигнал (ток переменного напряжения). Во время этого снова происходит большое количество математических операций, цель которых состоит в том, чтобы наиболее достоверно воссоздать исходную форму аудиосигнала. Интерполяционный фильтр служит для получения непрерывной формы волны, в то время как сигма-дельта модуляция компенсирует неизбежные ошибки округления.
При воспроизведении широко практикуется использование оверсэмплинга, т.е. удвоения частоты сэмплирования источника сигнала. Данный способ позволяет улучшить качество восстановления сигнала, однако не устраняет необходимости интерполяции данных.
Таким образом, при работе многобитного рекордера данные округляются как минимум дважды — при записи и при воспроизведении.

Системы 1-битной записи работают на сверхвысоких частотах сэмплирования — обычно это 2.8224 МГц, а в случае рекордера MR-1000 — 5.6448 МГц. Такая частота позволяет воспроизводить колебания напряжения с частотой вплоть до 100 кГц, что существенно выше теоретического предела всех известных систем цифровой и аналоговой записи. При работе на таких частотах полностью отпадает нужда в обрезных фильтрах, за счет чего в исходный аудиосигнал не вносится нежелательного окрашивания.
Кроме того, при переходе к 1-битному формату записи не требуется использовать ни прореживающий фильтр в процессе записи, ни интерполяционный фильтр или оверсэмплинг при воспроизведении. Сигнал на входе и выходе рекордера абсолютно одинаковый, поскольку данные не подвергаются никаким математическим преобразованиям. Вспомните — какое влияние на звучание цифрового звука в формате РСМ оказывают прореживающие и интерполяционные фильтры. 1-битный процесс записи в подобных устройствах попросту не нуждается.
Меньше — значит больше
Нетрудно оценить те преимущества, которые предоставляет пользователю использование сверхвысоких частот сэмплирования. Однако неискушенному человеку может быть не совсем ясно, как снижение разрядности квантования до 1 бита может привести к улучшению качества воспроизведения сигнала.

Суть концепции заключается в том, что при очень высоких частотах сэмплирования не требуется высокой точности для записи каждой выборки. Достаточно указать — остался ли уровень аудиосигнала (т.е. напряжения) на прежнем уровне, снизился или увеличился. 1-битное представление данных дает два возможных значения: 1 и 0, что соответствует увеличению или уменьшению уровня сигнала относительно предыдущего. Постоянное значение уровня можно описать как последовательность чередующихся нулей и единиц. Погрешность округления при этом намного ниже, чем при использовании мультибитных преобразователей. Рассмотрим пример.
В 1-битных системах диапазон значений для «съема» преобразователем исключительно низок — это ноль и единица. 24-битный преобразователь должен сопоставить каждому значению напряжения на входе одно из 16777216 значений. Спрашивается, для какой из систем вероятность ошибки более высока?
В качестве доказательства рассмотрим приведенные на рис. 3 результаты испытаний, показывающие несомненное превосходство 1-битной записи с частотой 5.6 МГц, произведенной с помощью нового рекордера Korg MR-1000.

В процессе испытаний производилась запись аналогового сигнала квадратной формы волны с частотой 20 кГц на различных частотах сэмплирования.
На иллюстрации сверху показан сигнал на входе рекордера, снизу — сигнал на выходе. Как видите, при использовании формата 16 бит/44.1 кГц на выходе получается синусоидальная волна. Более того, использование стандарта 24 бит/96 кГц снова приводит к тому, что на выходе получается волна синусоидальной формы.
Запись в формате 24 бит/192 кГц выглядит более близко к оригиналу, однако, как показано на последней иллюстрации, наилучший результат продемонстрировала запись в формате 1 бит/5.6 МГц.
Таким образом, высокоскоростные 1-битные технологии обладают неоспоримыми преимуществами перед традиционными системами цифровой записи.

Мы познакомили вас с научными основами цифровой записи вовсе не для того, чтобы продемонстрировать, насколько «плохими» являются традиционные системы. Как уже было сказано ранее, разрядность 24 бит и частота 192 кГц обеспечивают очень хорошие результаты. Однако превосходство 1-битной звукозаписи в качестве звучания несомненно, что позволяет использовать ее для окончательного сведения и архивации аудиозаписей.
Большинство экспертов убеждены, что по сей день наиболее предпочтительным носителем для сведения записей является магнитная лента. Однако данный носитель недостаточно долговечен, и безупречное сохранение магнитной записи в течение нескольких десятков лет представляется проблематичным.
Многобитные РСМ-системы показывают неплохие результаты, однако они не способны, подобно магнитной ленте, записывать полосу частот от 5 Гц до 50 кГц. Кроме того, с этой точки зрения уязвимым местом является процесс преобразования из одного РСМ-формата в другой. Преобразование мастер-записи стандарта 16 бит/44.1 кГц в стандарт 24 бит/192 кГц не приведет к улучшению качества звучания. Архивная же запись должна бережно сохранять ВСЕ нюансы исходного сигнала. Именно поэтому при серьезном ремастеринге классических записей необходимо использовать оригинальную мастер-ленту. Однако, как мы уже отмечали, магнитная лента требует особых условий хранения и изнашивается при контакте с головками магнитофона.
До сегодняшнего времени основным принципом работы РСМ-формата остается отсечение и фильтрация данных. Однако времена меняются. Стоимость устройств для хранения данных и оперативной памяти существенно снизилась, хранение сотен гигабайт данных на текущий момент представляет собой нормальное явление. Каналы передачи данных и современные микропроцессоры позволяют с легкостью оперировать с данными в 1 -битном формате. Таким образом, единственным тормозом для широкого внедрения этой технологии является отсутствие на рынке 1-битных рекордеров по приемлемой цене... Хотя нет, правильнее сказать — «являлось».
Теперь, с появлением доступного 1-битного рекордера, можно производить звукозапись с непревзойденным качеством и достоверностью, архивировать аудиозаписи без применения прореживающих и интерполяционных фильтров, влияющих на звучание. Ваш проект всегда может быть преобразован в любой популярный формат цифровой записи. В будущем в случае необходимости Вы всегда сможете вернуться к архивному материалу и ремастировать его без каких-либо потерь.
Оба рекордера серии MR используют великолепные конвертеры: Burr Brown PCM4202 для АЦ-преобразования и Cirrus Logic CS4398 для ЦА-преобразования. Эти популярные среди профессиональных пользователей конвертеры идеально подойдут для самых ответственных записей.
1-битный аудиосигнал с легкостью может быть преобразован в любой многобитный РСМ-формат для текущих проектов. Более того, окончательное сведение или архивация в 1-битном формате позволят с легкостью ремастировать запись в случае введения новых промышленных стандартов без каких-либо потерь качества. Никакой другой архивный формат на сегодняшний день не гарантирует подобной надежности и производительности.

Тэги: Tutorial