Что такое аналоговый звук
Перейти к содержимому

Что такое аналоговый звук

  • автор:

 

Что такое аналоговый звук

Речь, музыка, шум деревьев, пенье птиц – все это звуки, которые мы слышим ежедневно. Однако никто из нас не утруждает себя вопросом, что представляет собой звук? Как происходит его запись? Чем отличается аналоговый звук от цифрового? А ведь эта информация достаточно интересная, и с ней стоит ознакомиться.

Звук – что это?

Звук представляет собой физическое явление. Это упругие волны механических колебаний, распространяющиеся в газообразной, твердой или жидкой среде. Под звуком чаще рассматривают те колебания, которые воспринимаются животными и людьми. Основными характеристиками звука считаются амплитуда и спектр частот. Для людей второй показатель колеблется в диапазоне 16-20Гц – 15-20 кГц. Все что ниже этого диапазона, называют инфразвуком, выше – ультразвуком (до 1 ГГц) или гиперзвуком (от 1 ГГц). Громкость звука формирует звуковое давление и его эффективность, форма колебаний и их частота, а вот высота звука зависит от величины звукового давления и частоты.

Аналогово цифровое преобразование

Звуковой сигнал может быть аналоговым или цифровым. Если рассматривать аналоговый сигнал, исходящий из аналоговой аппаратуры, то представляет он собой непрерывный электрический сигнал. Цифровой звук – это сигнал, представленный дискретными численными значениями его амплитуды. То есть такой сигнал записывается в виде чисел, а считывается он компьютерной техникой.

Аналоговый звук можно преобразовать в цифровой путем обработки аналогового сигнала, придавая ему численных значений. Сделать это можно в два этапа. Первый – дискретизация, в ходе которой из сигнала, который необходимо преобразовать, в определенные временные промежутки выбирают величины по заданным значениям. Второй – квантование: процесс разбиения значений, полученных в ходе дискретизации значений амплитуды звука с максимально приближенной точностью.

В аналогово-цифровом преобразовании точные значения не используются – все величины указываются округленными, поскольку из-за ограничения оперативной памяти приборов реальное значение амплитуды указать невозможно – оно бесконечное.

Частота дискретизации и разрядность

Эти два понятия часто рассматривают во время описания цифровых записывающих приборов. Итак, частота дискретизации означает частоту, с которой фиксируется частотность отсчетов входных сигналов записывающим устройством. Когда аналоговый звук преобразовывают в цифровой, он записывается отдельными отсчетами, то есть значениями интенсивности сигнала в конкретные временные периоды.

Частота дискретизации чаще всего имеет следующие стандартные значения:

Чтобы получить лучшее качество цифровой записи, следует использовать большую частоту дискретизации: за счет большего количества отсчетов за секунду времени улучшается качество преобразованного звука.

А что же такое разрядность? Когда речь заходит о записывающих устройствах, мы часто слышим такие единицы измерения информации, как 16 бит, 24 бита и т.д. Обозначают они количество единиц информации, которыми можно изобразить значение отсчетов, получаемых при цифровой записи (причем каждого отсчета в отдельности). В этом случае качество получаемого звука тем выше, чем большая величина единицы измерения. Однако стоит учесть, что не от количества бит зависит значение интенсивности звука, а от точности его представления.

Джиттер и шум квантования

В АЦП рассматривают еще и такие понятия, как джиттер и шум квантования. Рассмотрим коротко, что они собой представляют.

Итак, джиттер называют фазовым дрожанием цифрового сигнала. В целом это нежелательные (случайные) фазовые и/или частотные отклонения сигнала, что передаются носителем. Может возникнуть по причине нестабильности работы задающего генератора из-за изменения параметров (временных или частотных) линии передачи. Джиттер может проявляться в виде задержек и затухания сигнала, шумов.

В АЦП джиттером называют смещение во временном периоде моментов квантования во время оцифровки аналогового звука. Связано это с несовершенством тактового сигнала, который задает момент семплирования.

Шумом квантования называют ошибки, которые возникают в процессе преобразования аналогового сигнала в цифру. Могут возникать вследствие округления или усечения сигналов. Оба рассмотренные явления влияют на качество итогового звучания. Поэтому, чтобы избежать данных ошибок, во время АЦП передачу сигнала с одного регистра на другой следует осуществлять максимально точно. Кроме того, важно использовать качественную аппаратуру для преобразования сигнала: это касается и звукозаписывающих приборов, и источников питания, и кварцевых генераторов.

Цифро аналоговое преобразование

Когда звук был преобразован в цифровой сигнал, чтобы его прослушать, его необходимо снова перевести в аналоговое звучание. Для этого используются цифро-аналоговые преобразователи. На примере аудио интерфейсов рассмотрим, как происходит этот процесс. Аналоговый звук попадает в микшер (аналоговый вход) и направляется в АЦП, где он квантуется и дискретизируется. Полученный цифровой сигнал на выходе проходит такой же процесс, только обратный: данные проходят через цифро-аналоговый преобразователь, который превращает их в аналоговый сигнал. На схеме процесс выглядит так:

Громкость в цифровом звуке

Громкость цифровых сигналов не должна превышать 0db. Если не учитывать этот нюанс, на входе или выходе мы получаем перегрузку цифрового сигнала. Это значение является самой высокой точкой, то есть пиковым значением. Она позволяет записывать качественный звук и воспринимать его надлежащим образом. Если превысить это значение, сигнал искажается, а оборудование от перенагрузки может испортиться.

Кроме пиковой точки, понятие громкости включает в себя еще и такой элемент, как значение RMS. Этим понятием определяют уровень актуальной громкости, который отражает плотность записи и выдает информацию о громкости, которую способен воспринять наш слух. RMS обозначают в децибелах, но с минусовым значением: звук тем громче, чем больше числовое значение RMS (максимально громко — -6db, максимально тихо — -20db). Оптимальные значения цифровой громкости — -12db — -10db.

Стереофония и панорама

Стереофонией называют запись, передачу или воспроизведение звукового сигнала, при которых сохраняется информация аудиального типа о расположении источника этого сигнала методом раскладки звука парой и более независимыми аудиоканалами. При правильном расположении музыкальных вещателей можно получить объемное пространственное звучание. При этом создается ощущение, что звук с разными фазами исходит из разных источников.

Панорама – это, по сути, установленное направление источника звука по трем пространственным характеристикам – удаленности, высоте и направлению. Благодаря панорамированию мы получаем:

  • равномерное распределение энергии звука;
  • разграничение источников сигнала с одинаковым диапазоном и частотой звучания;
  • специальные эффекты.

Чтобы создать качественную звуковую панораму, необходимо правильно расставить элементы, подающие сигнал. В идеале это выглядит так:

То есть центральный канал звукового источника должен располагаться между левым и правым каналом. Такое размещение стереофонических источников позволит получить максимально полное, чистое и насыщенное звучание звука.

Основные форматы аудио файлов

На самом деле форматов, с помощью которых можно читать аудио файлы, очень много. Но есть те, которые получили всеобщее признание. Все они делятся на три группы:

  • аудиоформаты без сжатия;
  • со сжатием без потерь;
  • со сжатием с потерями.

Рассмотрим основные форматы аудио файлов:

  1. WAV – первый аудио формат, который мог обрабатываться компьютерными программами на высоком профессиональном уровне. Недостаток – запись занимает слишком много места.
  2. CD-диски – расширение .cda не поддается редактированию, однако его можно переформатировать и сохранить любой программой по обработке аудио.
  3. MP3 кодек – универсальный формат, максимально сжимающий аудио файлы.
  4. AIFF-файлы – формат поддерживает монофонические и стереофонические данные размером 8 и 16 бит, изначально разрабатывался для Macintosh, однако после дополнительных разработок может использоваться и на других площадках ОС.
  5. OGG – популярный формат, однако имеет недостатки в виде использования собственных кодеков и декодеров и перегрузки системных ресурсов компьютера.
  6. AMR – низкопробный аудиоформат.
  7. Формат MIDI позволяет производить редактуру записи нажатием клавиш, изменением темпа, тональности, высоты, а также добавлением эффектов.
  8. FLAC – формат, воспроизводящий аудио в высоком качестве.

Способы обработки цифрового звука

Цифровой звук обрабатывают с помощью математических операций, которые применяют к отдельным отсчетам звука или к их группам разной длины. Математические операции могут имитировать традиционные аналоговые средства обработки (микширование, сложение, усиление или ослабление, модуляцию и т.д.) или альтернативные способы – спектральное разложение сигнала, коррекция частотных составляющих с обратной «сборкой» сигналов.

Обработка цифрового сигнала может быть линейной (проводится в реальном времени над «живым» звуком) и нелинейной (проводится с ранее записанным звуком). Обрабатываются звуки универсальными процессорами общего назначения (Intel 8035, 8051, 80×86, Motorola 68xxx, SPARC) или специализированными цифровыми сигнальными устройствами Analog Devices ADSP-xxxx, Texas Instruments TMS xxx, Motorola 56xxx и пр.

Способы обработки цифрового сигнала следующие:

  • линейная фильтрация;
  • анализ спектров;
  • временной и частотный анализ;
  • адаптивная фильтрация;
  • обработка нелинейного типа;
  • обработка многоскоростная;
  • свертка;
  • секционная свертка.

Как видим, даже простой аналоговый звук может быть качественным. Для этого нужно совсем немного – просто уметь его отформатировать и преобразовать. А чтобы научиться этому искусству, можно пройти специальный обучающий курс.

Аналоговый звук: погоня за совершенством

Аналоговый звук – священная корова аудиофилов. Это звук, записанный на носитель без цифровой трансформации электромеханическими способами и таким же образом воспроизводимый. Аналоговых источников существует всего два – магнитофон и виниловый проигрыватель. Люди, которые всю жизнь слушали компакт диски, и услышали однажды качественный аналоговый тракт, в первый момент теряют дар речи, а потом восклицают: «Как же нас обманули с этой цифрой! Это же небо и земля!» Довольный произведенным эффектом владелец аналогового тракта начинает объяснять неофиту, что «музыка в цифре порезана на кусочки и таким образом убита, и только аналог – это первозданный звук». Пресвященный неофит долго носится с этим открытием, потом случайно слышит где-нибудь цифровой тракт, который напрочь перебивает услышанный до этого аналог, и впадает в смятение. Где же истина?

Любая новая технология на первых порах недостаточно совершенна. Вспомните первые цифровые фотоаппараты, которые покупали редкие отважные смельчаки – сделанные с их помощью фотографии получились гораздо хуже пленочных. Формат компакт-диска начал активно продвигаться на рынок в начале девяностых годов. К этому времени почти все студии звукозаписи использовали цифровые рекордеры для записи и сведения музыки. Почти все виниловые пластинки, выпущенные после 1984 года, записаны при помощи цифровой техники, и ни о каком «аналоге» там уже не может быть речи. Звучат они при этом все равно лучше компакт дисков. Почему? Дело в том, что компакт-диск — достаточно ущербный формат. Объем информации, который на нем можно записать, требует сильной компрессии и урезания динамического диапазона. Музыка втискивается в прокрустово ложе серебристой болванки и лишается объема и послезвучий. Самое заметное отличие звука компакт-диска от виниловой пластинки (даже записанной с помощью цифры) – звучание тарелочек. На пластинке всегда слышно затухание звука, в то время как на компакт диске тарелочный «цик» получается подрезанным и звучит звонко, но не так приятно – слишком «металлически». Также из-за подрезания динамического диапазона на компакт диске, по сравнению с пластинкой, всегда недостает баса.

Сегодняшние технологии позволяют получать цифровые файлы очень высокого разрешения с очень большой частотой дискретизации. Файлы высокого разрешения hd-tracks гораздо полновеснее компакт дисков – там есть и послезвучия на верхах, и хороший бас, и объем, но… На виниловой пластинке музыкальной информации все равно больше, и звучит она лучше. В то же время запись, сделанная с помощью профессиональной цифровой техники без компрессии, звучит на хорошей аппаратуре настолько реалистично, что ее невозможно отличить на слух не только от «аналоговой записи», но даже от живого исполнения. Так что дело не в «нарезке музыки на кусочки», а в количестве кусочков, которые попадают на конечный носитель. Исходный студийный файл огромного объема – это 100% звука и полное соответствие реалистичному звучанию. Хорошая современная виниловая пластинка – это 70% от исходника. Файл hd-track – 50% Компакт диск – всего 25%. Про МP3 нечего говорить – там остаются жалкие 5-10%, которых, впрочем, многим достаточно.

Совершенно иначе обстоит дело с записями, сделанными в 60-70 и начале 80 годов. Аналоговые технологии в то время достигли расцвета, и возможности цифры приблизились к этому уровню только сейчас. По этой причине виниловые пластинки 70 годов звучат гораздо глубже, объемнее и естественнее виниловых пластинок середины восьмидесятых – цифровые технологии только появились и стали вытеснять аналоговые, но результат долгое время оставлял желать лучшего. При переводе записей 60-70 годов на компакт диски были использованы первые цифровые устройства, и музыка была просто убита. Именно этим объясняется шок, который испытывают большинство меломанов, впервые услышав аналоговое звучание любимой музыки. Что в 90% случаев ставят на аналоговый тракт? Led Zeppelin, Pink Floyd, Jethro Tull, Yes – музыку 70х Вся эта музыка прошла варварскую цифровую обработку на первобытных цифровых устройствах и буквально изуродована. Слушать ее на компакт дисках – значит не знать, как она может звучать. Дело не в том, что DEEP PURPLE на компакт диске «порезали на кусочки», а в том, что на кусочки для компакт диска резали отвратительно ремастированную и обрезанную по динамическому диапазону фонограмму. Достаточно послушать, как звучит, к примеру, оригинальный винил Machine Head, чтобы понять всю глубину потерь. Плохо звучит не цифра, а ПЛОХАЯ ЦИФРА. При этом, если тот же самый Machine Head воспроизвести с винила и записать на профессиональный цифровой рекордер с частотой 5.6 Мгц, то разница будет почти незаметна. Очень искушенное ухо услышит легкий «цифровой шум», выражающийся в чуть более резком звучании, но для большинства слушателей разницы не будет. Так что «священный аналоговый звук» ценен не тем, что музыка в нем «не порезана», а тем, что позволяет без потерь услышать оригинальную запись 60-70-80 годов. Разумеется, при условии, что вы ставите оригинальную пластинку на хороший виниловый тракт с качественным звукоснимателем и хорошим фонокорректором. Звучание виниловой пластинки на посредственном тракте не только не раскроет всех плюсов аналога, но, скорее всего, вчистую проиграет компакт диску.

Что касается новодельных виниловых пластинок – всех этих красивых глянцевых переизданий классических альбомов аналоговой эпохи – это абсолютно ненужные приобретения. Такие пластинки записаны с тех же уродливых цифровых фонограмм, что и компакт-диски, и по сути являются «виниловым вариантом компакт диска», разве что с чуть большим динамическим диапазоном. Только этим (чуть большим динамическим диапазоном) объясняется некоторое звуковое преимущество новодельных пластинок перед компактами, но оно настолько ничтожно, что городить ради этого виниловый тракт не имеет смысла. Разумнее скачивать файлы hd-tracks и слушать их через хороший ЦАП – такой звук значительно превзойдет и CD и новодельный винил.

Еще несколько слов про магнитофоны. Любители кассетных дек замечают, что цифровая музыка, записанная на кассету, звучит приятнее. Это правда. Дело в том, что очень мало кто может слушать профессиональные цифровые файлы, записанные с частотой 5.6 МГц, и на кассеты пишут или с компакт дисков, или с файлов 48000 Hz 24 bit. В такой музыке содержится сильный «цифровой шум», не слышимый ухом, но действующий на подсознание, которое не дает вам полностью расслабиться. Пленка этот шум сглаживает, и музыка как будто «вливается» в вас. Этот эффект отмечают все, кто слушал всю жизнь цифру и вдруг услышал звучание хорошей кассетной деки. Дело не в том, что вы услышали «аналог» — ведь запись сделана с цифры. Вы просто услышали музыку без «цифрового шума», и ваше подсознание перестало подспудно пребывать в напряжении. Чтобы услышать с кассеты настоящий аналоговый звук, запись должна быть сделана с виниловой пластинки аналоговой эпохи или с магнитофонной мастер ленты.

Аналоговый звук: погоня за совершенством

Аналоговый звук – священная корова аудиофилов. Это звук, записанный на носитель без цифровой трансформации электромеханическими способами и таким же образом воспроизводимый. Аналоговых источников существует всего два – магнитофон и виниловый проигрыватель. Люди, которые всю жизнь слушали компакт диски, и услышали однажды качественный аналоговый тракт, в первый момент теряют дар речи, а потом восклицают: «Как же нас обманули с этой цифрой! Это же небо и земля!» Довольный произведенным эффектом владелец аналогового тракта начинает объяснять неофиту, что «музыка в цифре порезана на кусочки и таким образом убита, и только аналог – это первозданный звук». Пресвященный неофит долго носится с этим открытием, потом случайно слышит где-нибудь цифровой тракт, который напрочь перебивает услышанный до этого аналог, и впадает в смятение. Где же истина?

Любая новая технология на первых порах недостаточно совершенна. Вспомните первые цифровые фотоаппараты, которые покупали редкие отважные смельчаки – сделанные с их помощью фотографии получились гораздо хуже пленочных. Формат компакт-диска начал активно продвигаться на рынок в начале девяностых годов. К этому времени почти все студии звукозаписи использовали цифровые рекордеры для записи и сведения музыки. Почти все виниловые пластинки, выпущенные после 1984 года, записаны при помощи цифровой техники, и ни о каком «аналоге» там уже не может быть речи. Звучат они при этом все равно лучше компакт дисков. Почему? Дело в том, что компакт-диск — достаточно ущербный формат. Объем информации, который на нем можно записать, требует сильной компрессии и урезания динамического диапазона. Музыка втискивается в прокрустово ложе серебристой болванки и лишается объема и послезвучий. Самое заметное отличие звука компакт-диска от виниловой пластинки (даже записанной с помощью цифры) – звучание тарелочек. На пластинке всегда слышно затухание звука, в то время как на компакт диске тарелочный «цик» получается подрезанным и звучит звонко, но не так приятно – слишком «металлически». Также из-за подрезания динамического диапазона на компакт диске, по сравнению с пластинкой, всегда недостает баса.

Сегодняшние технологии позволяют получать цифровые файлы очень высокого разрешения с очень большой частотой дискретизации. Файлы высокого разрешения hd-tracks гораздо полновеснее компакт дисков – там есть и послезвучия на верхах, и хороший бас, и объем, но… На виниловой пластинке музыкальной информации все равно больше, и звучит она лучше. В то же время запись, сделанная с помощью профессиональной цифровой техники без компрессии, звучит на хорошей аппаратуре настолько реалистично, что ее невозможно отличить на слух не только от «аналоговой записи», но даже от живого исполнения. Так что дело не в «нарезке музыки на кусочки», а в количестве кусочков, которые попадают на конечный носитель. Исходный студийный файл огромного объема – это 100% звука и полное соответствие реалистичному звучанию. Хорошая современная виниловая пластинка – это 70% от исходника. Файл hd-track – 50% Компакт диск – всего 25%. Про МP3 нечего говорить – там остаются жалкие 5-10%, которых, впрочем, многим достаточно.

Совершенно иначе обстоит дело с записями, сделанными в 60-70 и начале 80 годов. Аналоговые технологии в то время достигли расцвета, и возможности цифры приблизились к этому уровню только сейчас. По этой причине виниловые пластинки 70 годов звучат гораздо глубже, объемнее и естественнее виниловых пластинок середины восьмидесятых – цифровые технологии только появились и стали вытеснять аналоговые, но результат долгое время оставлял желать лучшего. При переводе записей 60-70 годов на компакт диски были использованы первые цифровые устройства, и музыка была просто убита. Именно этим объясняется шок, который испытывают большинство меломанов, впервые услышав аналоговое звучание любимой музыки. Что в 90% случаев ставят на аналоговый тракт? Led Zeppelin, Pink Floyd, Jethro Tull, Yes – музыку 70х Вся эта музыка прошла варварскую цифровую обработку на первобытных цифровых устройствах и буквально изуродована. Слушать ее на компакт дисках – значит не знать, как она может звучать. Дело не в том, что DEEP PURPLE на компакт диске «порезали на кусочки», а в том, что на кусочки для компакт диска резали отвратительно ремастированную и обрезанную по динамическому диапазону фонограмму. Достаточно послушать, как звучит, к примеру, оригинальный винил Machine Head, чтобы понять всю глубину потерь. Плохо звучит не цифра, а ПЛОХАЯ ЦИФРА. При этом, если тот же самый Machine Head воспроизвести с винила и записать на профессиональный цифровой рекордер с частотой 5.6 Мгц, то разница будет почти незаметна. Очень искушенное ухо услышит легкий «цифровой шум», выражающийся в чуть более резком звучании, но для большинства слушателей разницы не будет. Так что «священный аналоговый звук» ценен не тем, что музыка в нем «не порезана», а тем, что позволяет без потерь услышать оригинальную запись 60-70-80 годов. Разумеется, при условии, что вы ставите оригинальную пластинку на хороший виниловый тракт с качественным звукоснимателем и хорошим фонокорректором. Звучание виниловой пластинки на посредственном тракте не только не раскроет всех плюсов аналога, но, скорее всего, вчистую проиграет компакт диску.

Что касается новодельных виниловых пластинок – всех этих красивых глянцевых переизданий классических альбомов аналоговой эпохи – это абсолютно ненужные приобретения. Такие пластинки записаны с тех же уродливых цифровых фонограмм, что и компакт-диски, и по сути являются «виниловым вариантом компакт диска», разве что с чуть большим динамическим диапазоном. Только этим (чуть большим динамическим диапазоном) объясняется некоторое звуковое преимущество новодельных пластинок перед компактами, но оно настолько ничтожно, что городить ради этого виниловый тракт не имеет смысла. Разумнее скачивать файлы hd-tracks и слушать их через хороший ЦАП – такой звук значительно превзойдет и CD и новодельный винил.

Еще несколько слов про магнитофоны. Любители кассетных дек замечают, что цифровая музыка, записанная на кассету, звучит приятнее. Это правда. Дело в том, что очень мало кто может слушать профессиональные цифровые файлы, записанные с частотой 5.6 МГц, и на кассеты пишут или с компакт дисков, или с файлов 48000 Hz 24 bit. В такой музыке содержится сильный «цифровой шум», не слышимый ухом, но действующий на подсознание, которое не дает вам полностью расслабиться. Пленка этот шум сглаживает, и музыка как будто «вливается» в вас. Этот эффект отмечают все, кто слушал всю жизнь цифру и вдруг услышал звучание хорошей кассетной деки. Дело не в том, что вы услышали «аналог» — ведь запись сделана с цифры. Вы просто услышали музыку без «цифрового шума», и ваше подсознание перестало подспудно пребывать в напряжении. Чтобы услышать с кассеты настоящий аналоговый звук, запись должна быть сделана с виниловой пластинки аналоговой эпохи или с магнитофонной мастер ленты.

Аналоговый и цифровой звук

Аналоговый и цифровой звук очень похожи, их характеристики частотный диапазон, однако, каждый из них имеет свои индивидуальные особенности, а также преимущества и недостатки. В основном связано отличие этих сигналов в технологии их записи и преобразования. Какой из них лучше или хуже до последнего времени всё ещё остаётся актуальным и зависит от слушателя и от его предпочтений.

Дело в том, что аналоговый сигнал как звуковой, так и видео это переменная величина тока которая в зависимости от информации выражается в кривой которая является постоянной во времени. То по большому счёту это сигнал, который выражается уровнем и амплитудой напряжения и от его величины, и характеристики несут в себе определённую информацию. Цифровой сигнал — это набор дискретных величин в виде единиц и нулей, который преобразуется в итоге в звуковые колебания слышимые человеческому уху. Вся аудио информация представлена в виде дискретного нуля или единицы и отклонения невозможны.

В любом случае, цифровой сигнал в чистом виде является формой не акустической, поэтому в любом случае на акустическую систему с оконечного каскада усилителя звука, выходит аналоговый сигнал в виде переменного напряжения определённой величины и частоты.

Источников аналогового сигнала в современном мире остаётся не так уж много, это виниловые пластинки, бобины, и аудиокассеты. Для хранения информации в цифровом виде сейчас есть много способов и механизмов как переносных, так и стационарных — это любые CD или DVD диски, флеш накопители, жёсткие диски, устанавливаемые в ноутбуках и персональных компьютерах. Такие файлы могут храниться в разных форматах, с большим разбросом по объёму, от которого, естественно, заливист качество и продолжительность сохранённого звука. Аналоговый и цифровой звук, получается отличаются только способом хранения, передачи и его воспроизведения.

Достоинства и недостатки аналогового звукового сигнала

Если говорить о преимуществах аналогового сигнала как аудио таки видео, то одно из них связано с тем что именно в таком образе и виде человек воспринимает его своим органом слуха. И хотя впоследствии слух человека преобразует сигнал всё равно в набор импульсов, передаваемых в мозг, но тем не мнение современная техника ещё не научилась миновать уши как основной орган слуха и передавать сигнал непосредственно в мозг. Хотя нельзя и не отметить что данные исследования ведутся уже последние 70 лет и если они обвенчаются успехом то с таким понятием, как человеческая глухота будет покончено, а пока звуковые колебания каждый слышащий человек и воспринимающий их в полном объёме получает в виде аналогового сигнала. То есть, аналоговой звуковой сигнал имеет высокие показатели частотной глубины, а также неплохую сбалансированность между высокими и низкими частотами.

Основная проблема и недостаток с использованием чистого аналогового сигнала заключается в его хранении, а также способах тиражирования и передачи. Запись на любой из аналоговых хранителей аудио информации подвержен размагничиванию и механическим повреждением, поэтому спустя время записанная на них информация, значительно снижает качество в случае её воспроизведения. Виниловые диски сильно подвержены царапинам, да и тиражирование их довольно проблематичный и трудоемкий процесс. Выполнить копию аудио сигнала, записанного в аналоговом формате обозначает почти то же что и создать её заново.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

Неоспоримыми преимуществами цифрового сигнала и звука, в частности, являются:

  • Лёгкость в хранении, копировании и тиражировании. Скопировать любой аудио файл в цифровом формате можно легко и быстро, воспользовавшись как смартфоном, так и любым, самым простеньким компьютером;
  • Возможность передачи его на расстояние без появления помех, искажения информации. Выполнить это стало очень легко с появлением беспроводных сетей таких как Wi-Fi или Bluetooth.
  • Копирование такого источника звука даёт возможность получить полнейшую копию оригинала без отклонений и других возможных помех.
  • Точность хранения и передачи. Если оригинальный сигнал несёт в себе информацию равную дискретной единице, то и после копирования она будет выглядеть как единица, и ни в коем случае не ноль.

Основным недостатком цифрового сигнала является то, что он всего лишь промежуточный этап формирования итогового звукового сигнала и для его преобразования необходимы специальные устройства ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Таким образом, аналоговый и цифровой звук являются неотъемлемыми и связанными величинами, которые улучают и упрощают человеческую жизнь и, в частности, тех людей, которые связаны с музыкой. По крайней мере, это будет до тех пор, пока человечество не научится передавать импульс непосредственно в человеческий мозг.

Отличия аналогового звука от цифрового

Очень часто мы слышим такие определения, как «цифровой» или «дискретный» сигнал, в чем его отличие от «аналогового»?

Суть различия в том, что аналоговый сигнал непрерывный во времени (голубая линия), в то время как цифровой сигнал состоит из ограниченного набора координат (красные точки). Если все сводить к координатам, то любой отрезок аналогового сигнала состоит из бесконечного количества координат.

У цифрового сигнала координаты по горизонтальной оси расположены через равные промежутки времени, в соответствии с частотой дискретизации. В распространенном формате Audio-CD это 44100 точек в секунду. По вертикали точность высоты координаты соответствует разрядности цифрового сигнала, для 8 бит это 256 уровней, для 16 бит = 65536 и для 24 бит = 16777216 уровней. Чем выше разрядность (количество уровней), тем ближе координаты по вертикали к исходной волне.

 

Аналоговыми источниками являются: винил и аудиокассеты. Цифровыми источниками являются: CD-Audio, DVD-Audio, SA-CD (DSD) и файлы в WAVE и DSD форматах (включая производные APE, Flac, Mp3, Ogg и т.п.).

Преимущества и недостатки аналогового сигнала

Преимуществом аналогового сигнала является то, что именно в аналоговом виде мы воспринимаем звук своими ушами. И хотя наша слуховая система переводит воспринимаемый звуковой поток в цифровой вид и передает в таком виде в мозг, наука и техника пока не дошла до возможности именно в таком виде подключать плееры и другие источники звука напрямик. Подобные исследования сейчас активно ведутся для людей с ограниченными возможностями, а мы наслаждаемся исключительно аналоговым звуком.

Недостатком аналогового сигнала являются возможности по хранению, передаче и тиражированию сигнала. При записи на магнитную ленту или винил, качество сигнала будет зависеть от свойств ленты или винила. Со временем лента размагничивается и качество записанного сигнала ухудшается. Каждое считывание постепенно разрушает носитель, а перезапись вносит дополнительные искажения, где дополнительные отклонения добавляет следующий носитель (лента или винил), устройства считывания, записи и передачи сигнала.

Делать копию аналогового сигнала, это все равно, что для копирования фотографии ее еще раз сфотографировать.

Преимущества и недостатки цифрового сигнала

К преимуществам цифрового сигнала относится точность при копировании и передачи звукового потока, где оригинал ничем не отличается от копии.

Основным недостатком можно считать то, что сигнал в цифровом виде является промежуточной стадией и точность конечного аналогового сигнала будет зависеть от того, насколько подробно и точно будет описана координатами звуковая волна. Вполне логично, что чем больше будет точек и чем точнее будут координаты, тем более точной будет волна. Но до сих пор нет единого мнения, какое количество координат и точность данных является достаточным для того, что бы сказать, что цифровое представление сигнала достаточно для точного восстановления аналогового сигнала, неотличимого от оригинала нашими ушами.

Если оперировать объемами данных, то вместимость обычной аналоговой аудиокассеты составляет всего около 700-1,1 Мб, в то время как обычный компакт диск вмещает 700 Мб. Это дает представление о необходимости носителей большой емкости. И это рождает отдельную войну компромиссов с разными требованиями по количеству описывающих точек и по точности координат.

На сегодняшний день считается вполне достаточным представление звуковой волны с частотой дискретизации 44,1 кГц и разрядности 16 бит. При частоте дискретизации 44,1 кГц можно восстановить сигнал с частотой до 22 кГц. Как показывают психоакустические исследования, дальнейшее повышение частоты дискретизации мало заметно, а вот повышение разрядности дает субъективное улучшение.

Как ЦАП строят волну

ЦАП – это цифро-аналоговый преобразователь, элемент, переводящий цифровой звук в аналоговый. Мы рассмотрим поверхностно основные принципы. Если по комментариям будет виден интерес более подробно рассмотреть ряд моментов, то будет выпущен отдельный материал.

Мультибитные ЦАП

Очень часто волну представляют в виде ступенек, что обусловлено архитектурой первого поколения мультибитных ЦАП R-2R, работающих аналогично переключателю из реле.

На вход ЦАП поступает значение очередной координаты по вертикали и в каждый свой такт он переключает уровень тока (напряжения) на соответствующий уровень до следующего изменения.

Хотя считается, что ухо человека слышит не выше 20 кГц, и по теории Найквиста можно восстановить сигнал до 22 кГц, остается вопрос качества этого сигнала после восстановления. В области высоких частот форма полученной «ступенчатой» волны обычно далека от оригинальной. Самый простой выход из ситуации – это увеличивать частоту дискретизации при записи, но это приводит к существенному и нежелательному росту объема файла.

Альтернативный вариант – искусственно увеличить частоту дискретизации при воспроизведении в ЦАП, добавляя промежуточные значения. Т.е. мы представляем путь непрерывной волны (серая пунктирная линия), плавно соединяющий исходные координаты (красные точки) и добавляем промежуточные точки на этой линии (темно фиолетовые).

При увеличении частоты дискретизации обычно необходимо повышать и разрядность, чтобы координаты были ближе к аппроксимированной волне.

Благодаря промежуточным координатам удается уменьшить «ступеньки» и построить волну ближе к оригиналу.

Когда вы видите функцию повышения частоты с 44.1 до 192 кГц в плеере или внешнем ЦАП, то это функция добавления промежуточных координат, а не восстановления или создание звука в области выше 20 кГц.

Изначально это были отдельные SRC микросхемы до ЦАП, которые потом перекочевали непосредственно в сами микросхемы ЦАП. Сегодня можно встретить решения, где к современным ЦАП добавляется такая микросхема, это сделано для того, чтобы обеспечить альтернативу встроенным алгоритмам в ЦАП и порой получить еще более лучший звук (как например это сделано в Hidizs AP100).

Основной отказ в индустрии от мультибитных ЦАП произошел из-за невозможности дальнейшего технологического развития качественных показателей при текущих технологиях производства и более высокой стоимости против «импульсных» ЦАП-ов с сопоставимыми характеристиками. Тем не менее, в Hi-End продуктах предпочтение отдают зачастую старым мультибитным ЦАП-ам, нежели новым решениям с технически более хорошими характеристиками.

Импульсные ЦАП

В конце 70-тых широкое распространение получил альтернативный вариант ЦАП-ов, основанный на «импульсной» архитектуре – «дельта-сигма». Технология импульсных ЦАП-ов стала возможной появлению сверх-быстрых ключей и позволила использовать высокую несущую частоту.

Амплитуда сигнала является средним значением амплитуд импульсов (зеленым показаны импульсы равной амплитуды, а белым итоговая звуковая волна).

Например последовательность в восемь тактов пяти импульсов даст усредненную амплитуду (1+1+1+0+0+1+1+0)/8=0,625. Чем выше несущая частота, тем больше импульсов попадает под сглаживание и получается более точное значение амплитуды. Это позволило представить звуковой поток в однобитном виде с широким динамическим диапазоном.

Усреднение возможно делать обычным аналоговым фильтром и если такой набор импульсов подать напрямую на динамик, то на выходе мы получим звук, а ультра высокие частоты не будут воспроизведены из-за большой инертности излучателя. По этому принципу работают ШИМ усилители в классе D, где плотность энергии импульсов создается не их количеством, а длительностью каждого импульса (что проще в реализации, но невозможно описать простым двоичным кодом).

Мультибитный ЦАП можно представить как принтер, способный наносить цвет пантоновыми красками. Дельта-Сигма – это струйный принтер с ограниченным набором цветов, но благодаря возможности нанесению очень мелких точек (в сравнении с пантовым принтером), за счет разной плотности точек на единицу поверхности дает больше оттенков.

На изображении мы обычно не видим отдельных точек из-за низкой разрешающей способности глаза, а только средний тон. Аналогично и ухо не слышит импульсов по отдельности.

В конечном итоге при текущих технологиях в импульсных ЦАП можно получить волну, близкую к той, что теоретически должна получится при аппроксимации промежуточных координат.

Надо отметить, что после появления дельта-сигма ЦАП исчезла актуальность рисовать «цифровую волну» ступеньками, т.к. так ступеньками волну современные ЦАП не строят. Правильно дискретный сигнал строить точками соединенной плавной линией.

Являются ли идеальными импульсные ЦАП?

Но на практике не все безоблачно, и существует ряд проблем и ограничений.

Т.к. подавляющее количество записей сохранено в многоразрядном сигнале, то перевод в импульсный сигнал по принципу «бит в бит» требует излишне высокую несущую частоту, которую современные ЦАП не поддерживают.

Основной функцией современных импульсных ЦАП является перевод многоразрядного сигнала в однобитный с относительно невысокой несущей частотой с прореживанием данных. В основном именно эти алгоритмы и определяют конечное качество звучания импульсных ЦАП-ов.

Чтобы уменьшить проблему высокой несущей частоты, звуковой поток разбивается на несколько однобитных потоков, где каждый поток отвечает за свою группу разряда, что эквивалентно кратному увеличению несущей частоты от числа потоков. Такие ЦАП называются мультибитными дельта-сигма.

Сегодня импульсные ЦАП-ы получили второе дыхание в быстродействующих микросхемах общего назначения в продуктах компаний NAD и Chord за счет возможности гибко программировать алгоритмы преобразования.

Формат DSD

После широкого распространения дельта-сигма ЦАП-ов вполне логичным было и появления формата записи двоичного кода напрямую дельта-сигма кодировке. Этот формат получил название DSD (Direct Stream Digital).

Широкого распространения формат не получил по нескольким причинам. Редактирование файлов в этом формате оказалось излишне ограниченным: нельзя микшировать потоки, регулировать громкость и применять эквализацию. А это значит, что без потери качества можно лишь архивировать аналоговые записи и производить двухмикрофонную запись живых выступлений без последующей обработки. Одним словом – денег толком не заработать.

В борьбе с пиратством диски формата SA-CD не поддерживались (и не поддерживаются до сих пор) компьютерами, что не позволяет делать их копии. Нет копий – нет широкой аудитории. Воспроизвести DSD аудиоконтент можно было только с отдельного SA-CD проигрывателя с фирменного диска. Если для PCM формата есть стандарт SPDIF для цифровой передачи данных от источника к отдельному ЦАП, то для DSD формата стандарта нет и первые пиратские копии SA-CD дисков были оцифровками с аналоговых выходов SA-CD проигрывателей (хоть ситуация и кажется глупой, но на деле некоторые записи выходили только на SA-CD, либо та же запись на Audio-CD специально была сделана некачественно для продвижения SA-CD).

Переломный момент произошел с выходом игровых приставок SONY, где SA-CD диск до воспроизведения автоматически копировался на жесткий диск приставки. Этим воспользовались поклонники формата DSD. Появление пиратских записей простимулировало рынок на выпуск отдельных ЦАП для воспроизведения DSD потока. Большинство внешних ЦАП с поддержкой DSD на сегодняшний день поддерживает передачу данных по USB используя формат DoP в виде отдельного кодирования цифрового сигнала через SPDIF.

Несущие частоты для DSD сравнительно небольшие, 2.8 и 5.6 МГц, но этот звуковой поток не требует никаких преобразований с прореживанием данных и вполне конкурентно-способен с форматами высокого разрешения, такими как DVD-Audio.

На вопрос что лучше, DSP или PCM однозначного ответа нет. Все упирается в качество реализации конкретного ЦАП и таланта звукорежиссера при записи конечного файла.

Общий вывод

Аналоговый звук – это то, что мы слышим и воспринимаем, как окружающий мир глазами. Цифровой звук, это набор координат, описывающих звуковую волну, и который мы напрямую услышать не можем без преобразования в аналоговый сигнал.

Аналоговый сигнал, записанный напрямую на аудиокассету или винил нельзя без потери качества перезаписать, в то время как волну в цифровом представлении можно копировать бит в бит.

Цифровые форматы записи являются постоянным компромиссом между количеством точностью координат против объема файла и любой цифровой сигнал является лишь приближением к исходному аналоговому сигналу. Однако при этом разный уровень технологий записи и воспроизведения цифрового сигнала и хранения на носителях для аналогового сигнала дают больше преимуществ цифровому представлению сигнала, аналогично цифровой фотокамере против пленочного фотоаппарата.

Почему аналоговый сигнал так называется (на примере звука)

Например, если требуется передать на расстояние информацию о звуке (музыка, песня, человеческая речь), может использоваться аналоговый сигнал.

Что такое звук? Это физический процесс, последовательные уплотнения и разрежения среды (например, воздуха), в которой распространяется звук.


Картинка из статьи про звук в википедии
На картинке слева изображен источник звука, справа — ухо человека. Последовательные уплотнения и разрежения воздуха показаны кусочками серых окружностей (окружностей — потому что звук распространяется от источника звука во все стороны вокруг). При уплотнениях воздуха окружности находятся ближе друг к другу и почти сливаются, а при разрежениях — дальше друг от друга, поэтому в этих местах образуются пробелы. Можно, кстати, заметить, что ближе к источнику звука на картинку попадает бОльшая часть окружностей, поэтому они выглядят более изогнутыми, чем кусочки окружностей, расположенные дальше от источника звука и ближе к уху человека.

Итак, стоит задача передать на расстояние информацию о звуке. Передавать сам звук — не вариант, далеко ли можно докричаться? Поэтому придумали передавать на расстояние не сам звук, а его аналог — некий сигнал, являющийся точным слепком характеристик передаваемого звука.

В качестве такого аналога часто выбирают электрический сигнал. Электрический ток передается на большие расстояния по проводам. Хоть скорость движения носителей электрического заряда (электронов) не очень большая, зато скорость распространения электрического поля, которое инициирует электрический ток, сравнима со скоростью света.

То есть звук преобразуют в переменный электрический ток. Это можно сделать с помощью микрофона.

Схема преобразования звука в переменный электрический ток из статьи о звуке Дениса Дубровского
На рисунке вверху слева с помощью множества точек изображены уплотнения и разрежения воздуха, то есть, собственно, звук. Под этими уплотнениями и разрежениями нарисован график изменения плотности воздуха при передаче звука в воздухе с течением времени. Можно видеть, что этот график похож на идущие друг за другом волны, поэтому уплотнения и разрежения воздуха при передаче звука часто называют звуковыми волнами. Еще процесс уплотнения и разрежения воздуха при передаче звука можно назвать колебаниями плотности воздуха, потому что плотность воздуха колеблется возле некоего среднего значения плотности, поэтому такие уплотнения и разрежения воздуха при передаче звука еще называют звуковыми колебаниями.

На рисунке вверху в центре изображена схема микрофона. Звук воздействует на мембрану, заставляя ее колебаться. Мембрана заставляет колебаться соединенную с ней подвижную катушку (катушка — это провод (проводник), намотанный на цилиндрический каркас), которая находится в постоянном магнитном поле. При таком движении катушки в постоянном магнитном поле в проводнике вызывается переменный электрический ток. На рисунке внизу справа изображен график изменения напряжения индуцируемого в микрофоне электрического тока с течением времени.

Волна на графике справа является аналогом (слепком) волны на графике слева. При преобразовании звука в переменный электрический ток получили аналоговый сигнал в виде этого переменного электрического тока, который и будет передан на расстояние по проводам. На принимающей стороне для получения звука необходимо будет выполнить обратную операцию по преобразованию электрического сигнала в звук.

Выводы. Аналоговый сигнал предназначен для передачи «аналога-слепка» информации (данных, сообщения) в отличие от противопоставляемого ему цифрового сигнала, который предназначен для передачи цифр (чисел), а не «аналога-слепка» данных. Цифровой сигнал передает информацию об информации, но это тема для отдельного поста.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *