Путеводитель по аудио форматам (часть 1)

CD-Audio

Если говорить о первом стандарте цифрового звука, который в буквальном смысле совершил прорыв в сознании людей, то несомненно это будет стандарт CD-Audio, с которого по большому счету и началась эра всепоглощающего проникновения цифрового звука в нашу повседневную жизнь.
Музыкальный компакт-диск, он же CD-Audio, был изобретен, стандартизирован и введен в обращение в начале 80-х фирмами Sony и Philips. Основными характеристиками цифрового звука, заложенными в этот стандарт, стали частота дискретизации 44.1 кГц и 16-битное представление амплитуды сигнала. Выбор подобной частоты дискретизации был обусловлен необходимостью обеспечить совместимость с разработанными ранее аудиосистемами, работавшими с видеокассетами.
Первым и несомненным плюсом разработанного компакт-диска стала беспрецедентная долговечность. Ни один более ранний носитель, например магнитофонные ленты или пластинки, не мог сравниться с ним по этому показателю. Отсутствие механического контакта между диском и считывающим устройством позволяло эксплуатировать компакт-диски по несколько раз в день и делать это годами. Даже появление небольших царапин никогда больше не досаждало пользователю растущим уровнем шумов и дефектов.
Вторым плюсом стали более компактные размеры диска, что значительно упрощало эксплуатацию нового носителя. Появилась возможность привнести новый стандарт в салон автомобиля, так как все попытки конструкторов использовать в серийных масштабах в салоне автомобиля звуковую аппаратуру высокого класса (большие катушечные магнитофоны и виниловые проигрыватели) окончились неудачей.
Еще одним пунктом превосходства Audio CD над винилом стало качество звучания. В 1980 году «прогрессивность» нового формата был заявлена величинами динамического диапазона сигнала и отношения сигнал/шум — более 90 дБ, что вместе с искажениями менее 0,01 % означало крах виниловой пластинки.
Однако, у компакт-диска был и один недостаток, замеченный чуть позже. Верхняя частота диапазона воспроизведения компакт-диска была равна половине его частоты дискретизации, то есть 22.05 кГц, в то время как у аналоговых носителей этот показатель был гораздо выше. И хотя частоты выше 19-20 кГц уже относятся к ультразвуку и относятся к «неслышимым», обертональные составляющие большинства акустических инструментов лежат именно в этой так называемой «неслышимой» области и оказывают влияние на впечатление от прослушивания. Если их нет, запись кажется "неживой".

 
SHM-CD

SHM-CD (Super High Material CD) — является улучшенной версией обычного звукового компакт-диска и имеет расширенные возможности по улучшению качества звука за счет использования специального поликарбонатного пластика. При изготовлении дисков использован процесс, разработанный компаниями JVC и Universal Music (Япония), который был выявлен в ходе исследований в области производства ЖК-дисплеев. SHM-CD использует повышенную прозрачность пластика, что позволяет более точно считывать данные с компакт диска. Диски SHM-CD полностью совместимы со стандартными CD-приводами. Формат представлен на рынок в 2008 году.

Gold CD

Gold CD (Gold Compact Disc) – золотой компакт-диск, отличается использованием золота в качестве материала для отражающего покрытия вместо алюминия и серебра, как на обычных CD и CD-R. Благодаря своим физическим и химическим свойствам золотой слой более равномерен и долговечен, обеспечивает тем самым более высокую точность воспроизведения из-за меньшего количества ошибок.  Диски Gold CD полностью совместимы со стандартными CD-приводами.
Еще одна отличительная черта Gold CD – упаковка. Почти все золотые диски в том числе от Mobile Fidelity, упаковываются в кейс lift-lock, в котором при открытии диск поднимается на лифте и разблокируется в держателе. Преимуществом такой конструкции является то, что только края диска задействованы при извлечении его из корпуса, и диск никогда не подвергается деформации.

XRCD

eXtended Resolution Compact Disc (XRCD) (В японской модификации Digital K2, K2HD) -  технология производства и мастеринга аудио компакт-дисков запатентованная  JVC в 1995 году. XRCD производятся только на одном заводе в Йокогаме, в Японии. От обычных адудио CD отличается более высокой точностью воспризведения, улучшенным  качеством и так высокоценимой аудиофилами аналоговой теплотой звука! Компакт диски XRCD полностью совместимы со стандартными CD приводами.
JVC использует передовые алгоритмы дизеринга  в  своей К2 технологии мастеринга  для передачи аналогового или цифрового источника физического диска. Компания утверждает, что изучив  как обычные методы CD-ремастеринга ухудшают звук мастер ленты, стремится свести к минимуму эти потери. Аналоговый сигнал берется непосредственно с консоли мастеринга и оцифровывается с использованием K2 кодирования (20-бит, 128-кратная передискретизация, динамический диапазон 108 дБ, коэффициент гармонических искажений -96дБ, нелинейность характеристики +/- .05дБ). 20-битовый сигнал записывается на магнито-оптический диск и передается на тиражирующий завод JVC в Йокогаме, где пересчитывается в стандартные для CD 16-бит и дополнительно обрабатывается для сокращения временного джиттера в цифровом потоке. Все процессы мастеринга и прозводства тщательно контролируются и выверяются. Жесточайшему контролю на соответсвие стандарту качества подвераются материалы идущие на производство дисков. Благодаря всему этому JVC утверждает что XRCD позволяет слышать то, что производитель и артист предназначали  слушателю… звук оригинальной мастер ленты!

K2HD CD

K2HD (High Difinition) формат произведенный JVC и Lasting Impression Music (LIM). В нем используется новый метод кодирования.
Диск имеет более высокое разрешение, более низкие искажения, более богатую звуковую область (100 кгц и 24 бит), записанный с главной мастер ленты. Очень много макро и микро деталей, которые, никогда не слышали прежде ни в каком формате! Это - очень высокое качество K2HD альбомов с гарантированной средней частотой, появлением 10 ошибочных блоков (стандарт промышленности 220)! Другими словами, это технически в 22 раза лучше, чем регулярный компакт-диск! 
В Японском издании, диск упакован в картонный конверт размером 135мм х 135мм. Это точная миниатюрная копия оригинального LP винила. Кроме того, диск копируется с оригинальной LP точностью и включает в себя буклеты с фотографиями, черно-белый аккуратно сложенный лист с аннотацией и текстами песен на японском и английском языке. Конверт вложен в фирменный закрывающийся и открывающийся полиэтиленовый пакет. Некоторые диски представленены в deluxe Digibook.

HQCD

QCD (Высококачественный Компакт-диск) формат достигает высококачественного аудио с помощью пластмассы поликарбоната с улучшенной прозрачностью, позволяющая более точное чтение данных компакт-диска. Кроме того, специальный сплав серебряного покрытия используется, как материал рефлексивного слоя вместо стандартного алюминия. Диск совершенно новый и запечатанный, полный OBI, роскошная упаковка включает защитный пластмассовый внешний корпус и дополнительный буклет.

DXD CD

Цифровой Digital eXtreme Definition (DXD) представляет собой новый цифровой аудио формат наивысшего звукового качества, с помощью которого на дисках DXD CD получается более теплый звук, чем суровый звук на обычном компакт-диске. В DXD СD - звук соответствует звуку аналоговых LP. Это способствовало высокой резолюции аудио-сигнала от 32 бит 352800 Гц.
Обычный CD имеет резолюцию 44,1 кГц, а DXD CD имеет резолюцию в 8 раз больше 352.8 кГц.
Фирма Digital Audio Denmark представила новый формат цифрового кодирования DXD (Digital eXtreme Definition). Технический директор Питер Шилке так описывает практическое его применение:
 «Изначальная необходимость в формате DSD возникла, когда компании SONY Music понадобилось произвести архивирование большого количества аналоговых фонограмм. Возможность редактирования в принципе не предусматривалась. Информация с выхода однобитного дельта-сигма преобразователя просто записывалась на цифровой носитель для хранения. Сегодня при обработке сигнала DSD приходится сначала переводить его в мультибитный PCM, а затем при подготовке мастер-диска обратно в DSD. С каждым таким преобразованием к сигналу неизбежно добавляется цифровой шум, который в сумме может доходить до немыслимых -24 дБ, хотя бы и на частотах выше 20 кГц. Чтобы этого избежать, мы изобрели DXD, новый многоразрядный формат сверхвысокого разрешения (32 бит/352.8 кГц), оптимизированный для работы с аудиоматериалом, выпускаемым на SACD и признанный корпорациями SONY и Philips. Цифруя в DXD и избегая лишнего преобразования, мы сразу имеем дело с многоразрядным сигналом, и, отредактировав его, можем подготовить мастер-SACD с минимальным уровнем конверсионного шума».
В First Impression Music [FIM] пошли далее. Вместо того, чтобы делать два или больше типовых преобразования нормы, они делают запись источника в DXD! Скорость передачи данных для моно сигнала DXD составляет 8467.2 МГц, больше чем три раза скорости передачи данных типичного SACD!

BLU-SPEC CD

НОВЫЙ НОСИТЕЛЬ ОТ SONY (ultra high quality sound)
Новые диски получили название Blu-spec CD и пришли на смену обычным музыкальным компакт дискам. Отличие новой спецификации заключается только в том, что для изготовления используется не красный лазер с большой длиной волны, а синий. Это позволяет получать более качественный прожиг питов, что повысит аккуратность считывания информации и улучшит звучание. В остальном диски окажутся точно такими же и смогут проигрываться на том же оборудовании. 
Для Sony подобные новшества нужны, чтобы убрать с производственных линий устаревшие красные лазеры и выпускать Blu-spec CD на том же оборудовании, что и Blu-ray диски. Экономия для компании очевидна. А вот пользователям рассчитывать на низкие цены на новый формат не приходится.
Планируется, что Sony Music Entertainment будет выпускать такие альбомы с названием новых носителей Blu-spec CD 
* все перечисленные выше форматы поддерживаются CD приводами.

SACD

Super Audio CD (SACD) — неперезаписываемый оптический аудиодиск, позволяющий хранить аудиоданные со значительно более высоким качеством, по сравнению с обычным CDDA-диском. Разработан компаниями Sony и Philips в 1999 году.
Особенности SACD-дисков
Запись на SACD-диске может содержать от 1 до 6 звуковых каналов.
Для воспроизведения SACD требуется специальный проигрыватель, совместимый с этим форматом. Однако на SACD-диске может содержаться дополнительный CD-слой (только стерео) для совместимости с обычными проигрывателями, такие диски называются гибридными (англ. Hybrid SACD) и их можно слушать на любых обычных проигрывателях компакт-дисков. Примерно половина выпущенных SACD-дисков являются гибридными.
Продолжительность звучания Super Audio CD может достигать 109 минут при условии, что он содержит две SACD-зоны с разными параметрами записи (например, 2.0 и 5.1). При использовании только одной SACD-зоны продолжительность звучания превышает 2 часа.
Ёмкость диска SACD увеличилась в 6 раз за счёт уменьшения длины волны излучения лазера и увеличения апертуры объектива. Благодаря этому диаметр считывающего пятна света уменьшился до 1 мкм. Это, в свою очередь, позволило уменьшить размеры питов, интервалов между ними и шаг дорожки.
Для дисков SACD в качестве материала отражающих слоёв используется золото (в отличие от CD-DA, где используется алюминий; хотя встречаются и «золотые» CD, чаще всего для подарочных и коллекционных изданий — из-за своего «богатого» внешнего вида).
Описание формата:
Гибридный SACD содержит слой данных высокой плотности с потоком DSD и стандартный слой CD
Особенности кодирования:
При записи SACD-дисков используется однобитный цифровой формат записи Direct Stream Digital (DSD), обеспечивающий более высокое качество звучания, по сравнению с обычным CD, благодаря более высокой частоте семплирования (до 2,8224 МГц).
Действительно, хотя повышение разрядности и частоты дискретизации PCM-систем реально улучшали качество звука, эти улучшения становились все менее значительными. Очевидна и причина этого — фильтрация. В PCM-системе на входе необходимы фильтры с очень крутой характеристикой, чтобы подавить частоты, равные половине частоты выборки или превышающие ее. При частоте выборки 44,1 кГц фильтры типа «кирпичная стена» должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц — задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования.
Каждое увеличение частоты выборки облегчает работу для фильтра, но простым увеличением частоты не решить проблемы появления шумов квантования при многоступенчатых процессах аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразований.
Однобитный формат записи — это прямая запись однобитного выходного сигнала с АЦП типа дельта-сигма, причем этот сигнал имеет замечательные характеристики: динамический диапазон более 120 дБ, частотная характеристика от 0 до 100 кГц. При таком сочетании частотной характеристики и динамического диапазона формат DSD не имеет соперников среди других записывающих систем, цифровых или аналоговых.
Запись напрямую такого однобитного сигнала является альтернативой существующим форматам мастер-записи. Подобная запись устраняет необходимость процессов децимации и интерполяции для аналогового ввода/вывода. При этом упрощается структура (блок-схема) записывающей системы, поскольку исчезают параллельные информационные связи многоразрядных цифровых слов и необходимость их синхронизации.
Как и в обычных PCM-системах, аналоговый сигнал сначала конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации в 64 раза большей, чем номинальная частота дискретизации. Но DSD записывает одноразрядные импульсы напрямую, тогда как обычные системы затем преобразуют одноразрядный сигнал в многоразрядный PCM-код. В результате DSD дает цифровое одноразрядное представление аудиосигнала. Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют Pulse Density Modulation (PDM).
Полученный таким образом поток импульсов имеет примечательные свойства. Как и PCM, DSD по своей природе устойчив к искажениям, шуму и детонации записывающей аппаратуры и передающих каналов. Но, в отличие от PCM, DSD, как принцип преобразования, гораздо ближе к аналоговой передаче сигнала. Цифро-аналоговое преобразование может быть легко получено с помощью аналогового низкочастотного фильтра.
Поток дельта-сигма импульсов является достаточно «шумным». Сверхвысокое отношение сигнал/шум, которого требует DSD в звуковом диапазоне, достигается с помощью шумоподавляющих фильтров пятого порядка, что эффективно сдвигает шумы вверх по частоте за пределы звукового диапазона. Шумоустойчивость:
Действительно, хотя повышение разрядности и частоты дискретизации PCM-систем реально улучшали качество звука, эти улучшения становились все менее значительными. Очевидна и причина этого — фильтрация. В PCM-системе на входе необходимы фильтры с очень крутой характеристикой, чтобы подавить частоты, равные половине частоты выборки или превышающие ее. При частоте выборки 44,1 кГц фильтры типа «кирпичная стена» должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц — задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования. К тому же семплирование на частоте Найквиста приводит к значительному сдвигу между фазовой и частотной характеристиками фильтров в верхней четверти частотного диапазона. В однобитной системе, напротив, фазовая характеристика в верхней части звукового спектра не подвержена воздействию фильтра типа «кирпичная стена». Этот аспект особенно важен, когда система цифровой обработки является частью петли обратной связи, потому что в этом случае сдвиг фазы меньше, а стабильность системы и достоверность звучания выше.
Другой особенностью этого формата является его поведение в условиях возможной перегрузки. Одноразрядные кодеры высокого порядка должны иметь возможность управления перегрузкой, чтобы не пострадала стабильность. Это обеспечивается с помощью выбора соответствующей передаточной характеристики. Одноразрядный формат не дает, в отличие от многоразрядного, эффектов aliasing и clipping при перегрузках.
Устойчивость к ошибкам:
Поскольку любой бит одноразрядного формата несет одно и то же количество информации, эффект каждой ошибки не зависит от того, какой бит является ошибочным. В этом одноразрядный формат выгодно отличается от многоразрядного кодирования, в котором ошибка в старшем значащем бите (MSB) сказывается в  (L — длина слова) больше, чем ошибка в младшем значащем бите (LSB). Для 20-битной системы записи это означает, что ошибка в MSB скажется примерно в 1 млн раз больше, чем в LSB.
Системы опережающей коррекции ошибок (такие, как используются в формате CD) исходят из предположения, что все биты имеют одинаковый информационный вес, поэтому они одинаково защищают каждый бит. Для аудиосигнала это не подходит, поэтому страдает эффективность таких систем — младшие значащие биты получают избыточную защиту, а старшие значащие биты не получают достаточной защиты. Более того, эффект от ошибок не является пропорциональным, так как зависит от того, в каком бите произошла ошибка. Это приводит к быстрой деградации сигнала при превышении определенного уровня плотности ошибок.
Фактически, максимальный эффект от каждой отдельной ошибки — это функция частоты избыточной дискретизации. эффект от ошибки обратно пропорционален коэффициенту избыточной дискретизации. Например, если коэффициент 64, ошибка, вносимая одним битом, будет примерно 1/64 максимального уровня, то есть ее уровень на 36 дБ меньше максимального уровня сигнала на выходе.