Цифровое и аналоговое аудио

Несмотря на то, что большую часть внешней информации мы усваиваем с помощью зрения, звуковые образы для нас ни чуть не менее важны, а часто даже и более. Попробуйте посмотреть кино с выключенным звуком – через 2-3 минуты вы потеряетенить сюжета и интерес к происходящему, каким бы большим ни был экран и качественным изображение! Поэтому в немом кино за кадром играл тапер. Если же убрать изображение и оставить звук, кино вполне можно «слушать» как увлекательную радиопостановку. Слух доносит до нас информацию о том, чего мы не видим, поскольку сектор визуального восприятия ограничен, а ухо улавливает звуки, доносящиеся со всех сторон, дополняя зрительные образы. При этом наш слух с большой точностью может локализовать невидимый источник звукапо направлению, расстоянию, скорости перемещения.Звук научились преобразовать в электрические колебания задолго до изображения. Этому предшествовала механическая запись звуковых колеба ний, история которой началась еще в 19 веке.Ускоренный прогресс, включая возможность передачи звука на расстояние,стал возможен благодаря электричеству, с появлением усилительной техники, акустоэлектрических и электроакустических и преобразователей – мик-рофонов, звукоснимателей, динамических головок и прочих излучателей.Сегодня звуковые сигналы передаются не только по проводам и через эфир,но и по оптоволоконным линиям связи, в основном в цифровом виде.Слух доносит до нас информацию о том, чего мы не видим, посколькусектор визуального восприятия ограничен, а ухо улавливает звуки, доносящиеся со всех сторон, дополняя зрительные образы. При этом нашслух с большой точностью может локализовать невидимый источник звукапо направлению, расстоянию, скорости перемещения.Звук научились преобразовать в электрические колебания задолго до изображения. Этому предшествовала механическая запись звуковых колеба-ний, история которой началась еще в 19 веке.Ускоренный прогресс, включая возможность передачи звука на расстояние,стал возможен благодаря электричеству, с появлением усилительной техники, акустоэлектрических и электроакустических и преобразователей – мик-рофонов, звукоснимателей, динамических головок и прочих излучателей.Сегодня звуковые сигналы передаются не только по проводам и через эфир,но и по оптоволоконным линиям связи, в основном в цифровом виде.в электрический сигнал.Современные источники звука осень разнообразны, и все большее распространение получают цифровые носители: компакт-диски, DVD, хотя сохра-няются еще и виниловые пластинки. Мы продолжаем слушать радио, как эфирное, так и кабельное (радио-точки). Звук сопровождает телепередачии кинофильмы, не говоря уже о таком привычном явлении, как телефония. Все больший удельный вес в мире аудио получает компьютер, позволяющийс удобством архивировать, комбинировать и обрабатывать звуковые программы в виде файлов. В век цифровых технологий оцифрованная речь имузыка передается по цифровым каналам, включая сеть Интернет, без серьезных потерь на транспортировку. Это обеспечивается цифровым коди-рованием, и потери возникают исключительно из-за сжатия, которое чащевсего при этом используется. Однако на цифровых носителях его либо нетвовсе (CD, SACD), либо применяются алгоритмы сжатия звука без потерь(DVD Audio, DVD Video). В остальных случаях степень сжатия определяетсятребуемым уровнем качества фонограммы (файлы MP3, цифровая телефония, цифровое телевидение, некоторые типы носителей).

Обратное преобразование из электрических колебаний в акустические осуществляются с помощью громкоговорителей, встроенных в радиоприемни-ки и телевизоры, а также отдельных акустических систем, головных телефонов.Звуком называют акустические колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц. Ниже(инфразвук) и выше (ультразвук) человеческое ухо не слышит, да и в пределах звуково-го диапазона чувствительность слуха весьма неравномерна, ее максимум приходитсяна частоту 4 кГц. Чтобы слышать звуки всехчастот одинаково громко, нужно воспроизводить их с разным уровнем. Такой прием,называемый тонкомпенсацией, часто реализуется в бытовой аппаратуре,хотя результат его нельзя признать однозначно положительным.Физические свойства звука обычно представляются не в линейных, а вотносительных логарифмических величинах – децибелах (дБ), посколькуэто гораздо нагляднее в цифрах и компактнее на графиках(в противном случае пришлось бы оперировать с величинами,имеющими множество нулей до запятой и после, и вторые с легкостью потерялись бы на фоне первых). Отношение двух уров-ней A и B в дБ (скажем, напряжения или тока) определяетсякак:Сu [дБ] = 20 lg A/B. Если же речь идет о мощностях, то Сp [дБ] = 10 lg A/B.Звуком называют акустические колебания в диапазоне частот от 16 Гц до 20 000 Гц.

Кроме частотного диапазона, определяющего чувствительность человеческого слуха к высоте звука, существует также понятие диапазона громкостей,который показывает чувствительность уха к уровню громкости и охватываетинтервал от самого тихого звука, различимого слухом (порог чувствительности), до самого громкого, за которым лежит болевой порог. Порог чувствительности принят как звуковое давление в 2 х 10 -5 Па (Паскаль), а болевой порог – давление, в 10 миллионов раз большее. Иными словами, диапазон слышимости, или отношение давления самого громкого звука, к самому тихому, составляет 140 дБ, что заметно превосходит возможности любой ау-дио аппаратуры ввиду ее собственных шумов. Только цифровые форматы высокого разрешения (SACD, DVD Audio) подбираются к теоретическомупределу динамического диапазона (отношение самого громкого звука, воспроизводимого аппаратурой, к уровню шума) 120 дБ, компакт-диск обеспе-чивает 90 дБ, виниловая пластинка – порядка 60 дБ. Шумы всегда присутствуют в звуковом тракте. Это как собственные шумыусилительных элементов, так и внешние наводки. Искажения сигнала делятся на линейные (амплитудные, фазовые) и нелинейные, или гармониче-ские. В случае линейных искажений спектр сигнала не обогащается новыми компонентами (гармониками), изменяются лишь уровень или фаза уже существующих.Амплитудные искажения, нарушающие изна-чальные соотношения уровней на разных частотах, приводят к слышимым искажениямтембра. Долгое время считалось, что фазовые искажения не критичны для слуха, одна-ко на сегодня доказано обратное: и тембр, илокализация звука в значительной мере за-висимы от фазовых соотношений частотныхкомпонентов сигнала.Любой усилительный тракт нелинеен, поэ-тому всегда возникают гармонические искажения: новые частотные компоненты,отстоящие по частоте в 3, 5, 7 и т.д. от порож-дающего их тона (нечетные гармоники) или в2, 4, 6 и т.д. раз (четные). Порог заметности гармонических искажений силь-но варьирует: от нескольких десятых и даже сотых долей процента до 3-7%,в зависимости от состава гармоник. Четные гармоники менее заметны, по-скольку находятся в консонансе с основным тоном (разница по частоте вдва раза соответствует октаве).Помимо гармонических, имеют место интермодуляционные искажения,представляющие собой разностные продукты частот спектра сигнала и ихгармоник. Например, на выходе усилителя, на вход которого подано две час-тоты 8 и 9 Гц (при достаточно нелинейной его характеристике) появится тре-тья (1 кГц), а также целый ряд других: 2 кГц (как разность вторых гармоникосновных частот) и т.д. Интермодуляционные искажения особенно неприят-ны на слух, поскольку порождают множество новых звуков, включая диссо-нансные по отношению к основным.Шумы и искажения в значительной степени маскируются сигналом, однакоони и сами маскируют сигналы малого уровня, которые исчезают или теря-ют отчетливость. Поэтому чем вышеотношение сигнал/шум, тем лучше.Фактическая чувствительность к шу-мам и искажениям зависит от инди-видуальных особенностей слуха и егонатренированности. Уровень шумов иискажений, не влияющий на передачуречи, может быть абсолютно непри-емлемым для музыки. То, что сможетуслышать аудиофил и не только услы-шать, но и объяснить звукорежиссер,может оказаться совершенно неза-метным для обычного слушателя.Передача аналогового аудиоТрадиционно аудио сигналы передавались по проводам, а также эфиру(радио).Различают небалансную линию передачи (классическая проводная) и ба-лансную. Небалансная имеет в своем составе два провода: сигнальный(прямой) и обратный (земля). Такая линия весьма чувствительна к внешнимпомехам, поэтому для передачи сигнала на большие расстояния не подхо-дит. Часто реализуется с помощью экранированного провода, экран приэтом соединяется с землей.Балансная линия предполагает три провода: два сигнальных, по которым те-чет один и тот же сигнал, но в противофазе, и землю. На приемной сторонесинфазные помехи (наведенные на оба сигнальных провода) взаимно вычи-таются и полностью исчезают, а уровень полезного сигнала удваивается.

Небалансные линии обычно применяются внутри приборов и при небольших расстояниях, в основном в пользовательских трактах. В профессиональнойже сфере господствует балансная. На рисунках точки подключения экрана показаны условно, поскольку ихприходится каждый раз подбирать «по месту» для достижения наилучших результатов. Чаще всего экран подключается только на стороне приемника сигнала. Аудиосигналы нормируются по уровню действующего напряжения (0,707 от амплитудного значения):
• микрофонный 1-10 мВ (для микрофонов без встроенного усилителя),
• линейный 0,25-1 В, обычно 0,7 В На выходе усилителя мощности, с которого сигнал поступает на громкоговорители, его уровень гораздо выше и может достигать (в зависимостиот громкости) 20-50 В при токах до 10‑20А. Иногда – до сотен вольт, для трансляционных линий и озвучивания открытых пространств.

Используемые кабели и разъемы:
• для балансных линий и микрофонов – экранированная пара (часто витая), 3-контактные разъемы XLR или клеммы, винтовые или зажимные;Рис. 6. Разъемы для балансных линий: клеммы и XLR
• для небалансных линий – экранированный кабель, разъемы RCA («тюльпан»), реже DIN (а также ГОСТ), а также различные штекеры; Рис. 7. Разъемы для небалансных линий: RCA, 3,5-мм и 6,25-мм штекеры
• для мощных сигналов для громкоговорителей – неэкранированные (заредким исключением) акустические кабели большого сечения, клеммы или зажимы, разъемы типа «банан» или «игла» Качество разъемов и кабелей играет ощутимую роль, особенно в высоко-качественных аудио системах. Имеют значение материалы проводника идиэлектрика, сечение, геометрия кабеля.В самых дорогих моделях межблочных иакустических кабелей применяется сверхчистая медь и даже цельное серебро, а так-же тефлоновая изоляция, отличающаясяминимальным уровнем диэлектрической абсорбции, увеличивающей потери сигнала, причем неравномерно по полосе частот. Рынок кабельной продукции очень разнообразен, часто разные модели одинакового качества отличаются другот друга лишь ценой, причем во много раз. Любые кабели характеризуются потерями аналогового сигнала, которые растут с ростом частоты и расстояния передачи. Потери определяются оми-ческим сопротивлением проводника и контактов в разъемах, а также рас-пределенными реактивными составляющими: индуктивностью и емкостью.По сути, кабель представляет собой фильтр низких частот (режет высокие).Помимо передачи на разные расстояния, сигналы часто приходится развет-влять и коммутировать. Коммутаторы (селекторы входов) являются неотъемлемой частью многих компонентов аудиотракта, как профессионального, так и пользовательского. Существуют и специализированные усилители-распределители, разветвляющие сигнал и обеспечивающие согласование с линией передачи и другими компонентами по уровню и импедансам (а так-же часто компенсирующих спад на высоких частотах) и коммутаторы, обычные (несколько входов и один выход) и матричные (множество входов и выходов). Обработка аналогового аудио Любая обработка аналогового аудиосигнала сопровождается определенными потерями его качества (возникают частотные, фазовые, нелинейные искажения), однако она необходима.

Основные виды обработки следующие:
• усиление сигнала до уровня, нужного для передачи, записи или воспроизведения громкоговорителем: подав сигнал с микрофона на динамик, мыничего не услышим: требуется предварительно усилить его по уровню имощности, обеспечив при этом возможность регулировки громкости.
фильтрация по частотам: от полезного звукового диапазона (20 Гц – 20 кГц)отсекают инфразвук, который на определенных частотах вреден для здо-ровья, и ультразвук. Во многих случаях диапазон намеренно сужают (речевой телефонный канал имеет полосу от 300 Гц – 3400 Гц, существенно ограничена полоса частот метровых радиостанций). Для акустическихсистем, имеющих как правило 2-3 полосы, также необходимо разделение,которое осуществляется обычно в фильтрах кроссоверов уже на уровнеусиленного (мощного) сигнала.коррекция по частотам (эквалайзинг): регулировка тембра, компенсациянеравномерной отдачи из-за акустических свойств помещения, компенсация потерь в линиях передачи, студийная обработка с целью достиже-ния нужной «окраски» звука, подавление паразитной акустической об-ратной связи («свиста») и т.д.подавление шумов: существуют специальные схемы динамического шу-мопонижения, которые анализируют сигнал и сужают полосу пропорцио-нально уровню и частоте ВЧ-составляющих («денойзеры», «дехиссеры»).При этом шум, находящийся выше полосы сигнала, отрезается, а оставшийся более или менее маскируется самим сигналом. Подобные схемывсегда приводят к весьма заметной на слух деградации сигнала, но в отдельных случаях их применение уместно (например, при работе с записанной речью или в переговорных радиостанциях). Для аналоговой звуко-записывающей техники также используются шумоподавители на основекомпрессоров/экспандеров («компандерные», например, системы Dolby-B, dbx), работа которых на слух менее заметна.

Воздействие на динамический диапазон: для того чтобы воспроизведениемузыкальных программ на обычных бытовых системах, включая автомо-бильные магнитолы, было достаточно сочным и выразительным, динами-ческий диапазон сжимают, делая звучание тихих звуков более громким.В противном случае, не считая отдельных всплесков фортиссимо (наклассической музыке), придется слушать тишину из динамиков, особеннос учетом шумной окружающей обстановки. Для этой цели служат прибо-ры, называемые компрессорами. В некоторых случаях, наоборот, требу-ется расширить динамический диапазон, тогда применяются экспандеры.А чтобы исключить превышение максимального уровня, которое приведетк клиппированию (ограничение сигнала сверху, сопровождаемое оченьвысокими нелинейными искажениями, воспринимаемыми как хрип),в студиях используются лимитеры. Они как правило обеспечивают «мяг-кое» ограничение, а не просто срезают верхушки сигнала;Рис. 12. Пример студийного процессора динамической обработки звука• спецэффекты для студий, ЭМИ и пр.: в распоряжении звукорежиссеров имузыкантов имеется большое количество спец-техники для придания зву-чанию нужной окраски или получения определенного эффекта. Это раз-личные дистортеры (звук электрогитары становится хриплым, зернистым),приставки вау-вау (модуляция по амплитуде, вызывающая характерный«квакающий» эффект), энхенсеры и эксайтеры (приборы, влияющие наокраску звука, в частности, могущие придавать звучанию «ламповый» от-тенок); фленжеры, хорусы и т.д.Рис. 13. Примеры процессоров и приставок для электрогитар• смешивание звуков, эхо/реверберация: запись на студиях обычно ве-дется в многоканальном виде, затем с помощью микшеров фонограммасводится в нужное количество каналов (чаще всего 2 или 6). При этомзвукорежиссер может «выдвинуть вперед» тот или иной солирующий инс-трумент, записанный на отдельной дорожке, изменить соотношение гром-
костей разных дорожек. Иногда на сигнал накладываются многократныекопии меньшего уровня с определенным сдвигом по времени, тем самымимитируется естественная реверберация (эхо). В настоящее время подоб-ные и прочие эффекты достигаются в основном с помощью сигнальныхпроцессоров, обрабатывающих цифровой сигнал.Рис. 14. Современный микшерный пультЗапись аналогового аудиоСчитается, что механическая запись звука была впервые реализована Эди-соном в 1877 году, когда он изобрел фонограф – валик, покрытый слоем мяг-кой станиоли, на который иглой, передающей колебания воздуха, наносилсяслед (впоследствии вместо станиоли использовался воск, а сам метод ста-ли называть глубинной записью, поскольку дорожка модулировалась по глу-бине). Однако в том же году француз Шарль Кро подал заявку в Академиюнаук по поводу своего изобретения – звук записывался на плоском стеклян-ном диске, покрытым сажей, с помощью соединенной с мембраной иглы, по-лучалась поперечная дорожка, затем диск предполагалось просвечивать иснимать с него фотокопии для тиражирования (сам способ еще предстоялоразработать). В конце концов поперечная запись, которая оказалась намно-го совершеннее глубинной, дала начало грамзаписи. В мире появились трикомпании, серийно выпускавших пластинки (CBS в Америке, JVC в Японии,Odeon в Германии – эта компания подарила миру двустороннюю пластинку)и аппараты для их воспроизведения. От Дойче Граммофон (Германия) про-изошло название «граммофон», от Пате (Франция) – патефон. Затем нача-ли производить портативные патефоны с раструбом на шарнире, с электри-ческим двигателем вместо ручного привода, позже – с электромагнитнымиадаптерами. Пластинки становились все совершеннее, вмещали больше ма-териала по времени звучания, расширялся диапазон частот, первоначальноограниченный 4 кГц. На смену хрупкому шеллаку пришел винилит, а недол-говечные стальные иглы уступили место сапфировым, затем и алмазным.Началась эпоха стерео: в одной канавке нарезались две дорожки под угломв 45°. К началу 80-х годов прошлого века, когда наметилась глобальный пе-реход к цифровому формату звука, виниловая пластинка подошла в апогеесвоего развития.Магнитная запись более совершенна и издавна применялась в студиях.Первый аппарат для магнитной записи – телеграфон – создал ВальдемарПаульсен (Дания) в 1878 году, причем запись велась на стальную проволо-ку (струну от фортепьяно). В 20-х годах 20 века появились магнитофоны,использовавшие магнитную ленту. Массовое производство магнитофоновначалось в 40-х. Сначала появились магнитные ленты на целлюлозной, а за-тем на лавсановой основе. Запись аудиосигналов производится на продоль-ные дорожки с помощью пишущей (или универсальной) головки с магнитнымзазором. Лента протягивается вплотную к зазору головки, и на ней образу-ется дорожка остаточного намагничивания. Нелинейная часть характерис-тики «размывается» с помощью высокочастотного тока подмагничивания(обычно порядка 100 кГц), на который накладывается полезный сигнал. Сту-дийные аналоговые магнитофоны наряду с цифровыми до сих пор применя-ются для первичной записи фонограмм. Бытовые бывают двух- и трехголо-вочными (отдельно записывающая, воспроизводящая и стирающая головкилибо стирающая и универсальная). Иногда присутствуют две воспроизводя-щие головки, если предусмотрен реверс.Магнитная лента обладает шумами, которые уменьшаются (частично выво-дятся за пределы слышимого диапазона) с ростом скорости протяжки. Поэто-му студийные магнитофоны имеют скорость38, в то время как бытовые катушечные – 19и 9,5 см/с. Для бытовых кассетных магни-тофонов была принята скорость 4,76 см/с.Шумы ленты эффективно подавляются с по-мощью компандерной системы Dolby B: призаписи уровень высокочастотной части дляслабых сигналов поднимается на 10 дБ, а привоспроизведении на столько же опускается.Профессиональная аналоговая магнитная запись на высокой скоростиобеспечивает очень высокое качество. Именно на магнитных мастер-лен-тах долгое время архивировались музыкальные записи, и с них фонограм-ма переносилась на виниловые пластинки с некоторой потерей качества.Однако даже при очень бережном отношении магнитная лента со временемначинает осыпаться, ей свойственно постепенное размагничивание, дефор-мация, копир-эффект (соседние слои в рулоне взаимно намагничиваются),она подвержена влиянию внешних магнитных полей. Затруднен также быст-рый поиск нужного фрагмента (хотя это неудобство относится скорее к бы-товой сфере). Поэтому с появлением цифровых форматов компания Sony,владелец огромного архива записей CBS/Columbia, озаботившись пробле-мой сохранности бесценных оригиналов записей второй половины 20 века,разработала метод записи в формате дискретной широтно-импульсной мо-дуляции (поток DSD – Direct Stream Digital, который в дальнейшем дал началопользовательскому формату Super Audio CD). Если аналоговая магнитнаязапись обеспечивает сохранность фонограммы в несколько десятилетийпри постепенно увеличивающихся потерях, то цифровые архивы вечны ивыдерживают неограниченное количество копирований без какой-либо де-градации. По этой, как и по многим другим причинам (сервисные преиму-щества, универсальность, огромные возможности обработки) все большеераспространение нынче получают цифровые форматы аудио.Получение цифрового аудиосигналаЦифровой сигнал получают из аналогово-го или синтезируют непосредственно в циф-ре (в электромузыкальных инструментах).Аналого-цифровое преобразование предпо-лагает две основные операции: дискретиза-цию и квантование. Дискретизация – заменанепрерывного сигнала на ряд отсчетов егомгновенных значений, взятых через равныепромежутки времени. По теореме Котельни-кова-Шенона дискретный сигнал может бытьвпоследствии полностью восстановлен приусловии, что частота дискретизации как ми-нимум вдвое превосходит верхнюю частотуспектра сигнала. Затем отсчеты квантуютсяпо уровню: каждому из них присваивается дискретное значение, ближай-шее к реальному. Точность квантования определяется разрядностью дво-ичного представления. Чем выше разрядность, тем больше уровней кванто-вания (2N, где N – число разрядов) и ниже шумы квантования – погрешностииз-за округления до ближайшего дискретного уровня.Формат CD предполагает частоту дискретизации 44,1 кГц и разрядность16 бит. То есть получается 44 тысячи отсчетов в секунду, каждый из кото-рых может принимать один из 216 = 65536 уровней (для каждого из стере-оканалов).Помимо формата 44,1 кГц / 16 бит в цифро-вой записи применяются и другие. Студий-ная запись обычно производится с разряд-ностью 20-24 бит. Затем данные переводятсяв стандартный CD-формат путем пересче-та. Лишние биты затем отбрасываются либо(лучше) округляются, иногда подмешиваетсяпсевдослучайный шум для уменьшения шу-мов квантования (dither).Наиболее совершенными пользовательскими форматами аудио являют-ся DVD Audio и Super Audio CD (SACD). В DVD Audio принят алгоритм сжа-тия данных без потерь MLP, разработанный компанией Meridian. А SACD, вотличие от других форматов, использует не импульсно-кодовую модуляцию(ИКМ, или PCM), а однобитовое кодирование DSD-потока (дискретная ши-ротно-импульсная модуляция). Диски SACD бывают однослойными и двух-слойными (гибридными), с обычным CD-слоем.Наиболее популярным аудио носителем на сегодня остается компакт-диск,несмотря на определенные ограничения по качеству звучания, отмечаемыеаудиофилами. Причина их – в низкой частоте дискретизации: для точноговосстановления сигналов, близких к верхней границе звукового диапазона,необходим фильтр, не реализуемый физически (его импульсная реакция за-хватывает область отрицательного времени). Это в определенной степеникомпенсируется с помощью цифровой фильтрации с повышением частотыдискретизации и разрядности. Для обеспечения бесперебойного воспроиз-ведения в реальном времени данные на диске записываются с избыточнымкодированием (код Рида-Соломона).Для передачи цифрового звука нужна широкополосная линия связи, особен-но для несжатого многоканального потока высокого разрешения.Передача цифрового аудиоЛиниями связи для передачи цифрового аудио могут служить кабели, опти-ческие линии и радиоэфир.Для передачи ИКМ-сигналов по проводным линиям разработаны интерфей-сы AES/EBU (балансный, коаксиальный), S/PDIF (небалансный коаксиаль-ный), обеспечивающие передачу нескольких сигналов (тактовую частоту,частоту следования цифровых слов, данные каналов) по одному проводу.Внутри аппаратов эти сигналы передаются по отдельности, на выходе транс-портного механизма кодируются, а на входе цифро-аналогового преобра-зователя (в двухблочных системах) вновь разделяются в цифровом прием-нике.Как правило, для передачи цифрового аудио используется высококачест-венный коаксиальный кабель. Существуют также преобразователи S/PDIFдля оптоволоконных линий: AT&T ST и Toslink (последний является стандар-тным для бытовой аппаратуры). А также – для использования витых пар всоставе кабельных сетей Ethernet. Средой распространения сжатого аудиов виде архивированных файлов является и сеть Интернет.Рис. 17. Оптический кабель с разъемом ToslinkКак любой цифровой сигнал, оцифрованное аудио распределяют и комму-тируют с помощью специальных устройств – усилителей-распределителей,обычных и матричных коммутаторов.Имеется фактор, отрицательно влияющий на цифровые сигналы и часто сво-дящий на нет практически все преимущества цифрового аудио перед аналоговым, в числе которых возможность многократного копирования, переда-чи и архивирования программ без потерь качества — речь идет о джиттере.Джиттер представляет собой дрожание фазы, или неопределенность мо-мента перехода из 0 в 1 и наоборот. Происходит это из-за постепенной де-формации прямоугольных импульсов с практически идеальными фронтами,которые становятся все более пологими из-за реактивных элементов кабе-лей, что и приводит к неопределенности момента перепада, хотя крутизнафронтов в каждом последующем цифровом устройстве полностью восста-навливается. С джиттером все современные цифровые устройства успеш-но борются с помощью блоков перетактирования (reclocking). Подробнеесм. брошюру «Коммутация и управление сигналами».Рис.18. Распределение и коммутацияДля передачи и записи на различные цифровые носители применяютсясжатые форматы аудио: Dolby Digital (AC-3) и DTS. Это позволяет размес-тить на диске DVD Video емкостью 4,7 Гб полнометражный фильм с много-канальным звуковым сопровождением, а также разного рода дополнитель-ные материалы. Формат Dolby Digital предлагает 5 независимых каналов:2 фронтальных, 2 тыловых и 1 сабвуферный для спец-эффектов. Сжатие про-изводится с помощью адаптивного алгоритма MPEG Audio, основанного напсихоакустических особенностях восприятия звука и обеспечивающего ми-нимальную заметность сжатия. Все это позволяет воссоздать полноценнуютрехмерную звуковую панораму. Однако для качественного воспроизведе-ния музыки Dolby Digital подходит гораздо меньше, чем CD, обладая меньшимразрешением. Скорость потока в режиме Dolby Digital (отсчеты по каждомуканалу передаются друг за другом) составляет 384-640 кбит/с, в то время какв обычном двухканальном формате CD – 1411,2 кбит/с. Формат Dolby Digital5.1 неоднократно совершенствовался, в основном в направлении наращива-ния количества каналов. Сейчас доступен вариант DD 7.1, предполагающий 2фронтальных, 2 боковых и 2 тыловых канала, не считая канала спецэффек-тов (известна также модификация DD 6.1 с одним тыловым каналом).Формат DTS имеет меньшую степень сжатия и большую скорость потокаданных – 1536 кбит/с. Поэтому он используется не только для кодированиямногоканальных саундтреков на DVD Video, но для многоканальных аудио-дисков. Формат DTS, помимо традиционного DTS 5.1, известен в модифи-кациях DTS ES Discrete 6.1, а также нескольких матричных вариантах, в ко-торых, как и в Dolby Pro Logic II, задействован принцип матрицированиядополнительных каналов, которые синтезируются на основе дополнитель-ной информации, содержащейся в основных.Подробнее см. статью «Домашние кинотеатры».В компьютерной сфере и мультимедиа (на уровне пользователя) требуетсякомпактность данных, поэтому здесь находят широкое применение сжатыеформаты звука. Например, MP-3, Windows Media Audio, OGG Vorbis. Благо-даря сжатию становится возможным быстро скачивать музыкальные файлыиз сети Интернет, организовывать потоковый аудио сервис (WMA, Real Audio,Winamp).Обработка цифрового аудиоОбработка производится с помощью мощных DSP (сигнальных) процессо-ров, например Shark производства Analog Devices. Благодаря высокомубыстродействию многие операции удается реализовать в реальном време-ни: например, изменение разрядности и тактовой частоты с интерполяци-ей, регулировка тембрального баланса, эквализация, подавление шумов,компрессия, экспандирование или ограничение динамического диапазона,спец-эффекты (эхо, разные типы звучания, например «стадион», «концер-тный зал» и пр.), микширование нескольких дорожек. Обычно сигнальныепроцессоры работают при высокой разрядности сигнала (например, 32 битас плавающей децимальной точкой), что уменьшает набег ошибки в процес-се сложных математических вычислений, которые производятся на основебыстрого преобразования Фурье, вычисления набора соответствующих ко-эффициентов и последующего перемножения.Сигнальные процессоры по мере их распространения дешевеют, на сегод-ня их можно обнаружить любом ресивере или Surround-процессоре, где онивыполняют самые разнообразные функции,включая декодирование форматов объемно-го звука, эквализацию и управление басом,калибровка каналов по амплитуде и фазе ит.д.Но, как обычно, программные технологииобработки сигнала развиваются еще стре-мительнее, чем аппаратные. Все, что можетсделать DSP-процессор, доступно с помо-щью специальных компьютерных приложе-ний, причем в данном случае пользовательполучает более широкий простор деятель-ности и гибкость самой программы, котораяпериодически обновляется и дополняется(хотя и программное обеспечение специали-зированных устройств в наше время чаще всего можно обновлять, скажем,через порт USB с компьютера или даже прямо из сети Интернет, с сайта про-изводителя оборудования. Но такое обновление, конечно, возможно тольков пределах одного поколения «железа», по мере устаревания которого при-ходится заменять модуль или весь аппарат). Компьютерных программ дляглубокой обработки цифрового звука достаточно как для пользовательских,так и профессиональных целей (например, Adobe Audition). Основная частьстудийной обработки производится на компьютере. Это очень удобно и эффективно, а, главное, позволяет не привязываться к реальному времени,делая доступными операции любой степени сложности без особых требова-ний по быстродействию. Например, можно вручную вычистить фонограмму(скажем, снятую с реликтового винилового носителя) от щелчков или под-вергнуть ее «интеллектуальной» обработке по избавлению от шумов, спек-тральный состав которых заранее определяется в паузах и на тихих фраг-ментах.Наконец, сжатие с целью уменьше-ния скорости потока данных или пе-ренос на другую тактовую частоту свозможным изменением разряднос-ти тоже производится как аппаратно,так и программно, на компьютере.Существует несколько стандартныхкомпьютерных форматов аудио, какбез сжатия, так и с ним.Наиболее распространенный несжатый формат – Microsoft Riff/Wave (рас-ширение «.wav»). Данные кодируются 8 или 16 битами. Во втором (приемле-мом для качественного аудио) случае и при частоте дискретизации 44,1 кГцодна минуты музыки занимает 5,3 МБ дискового пространства. Помимо са-мих данных, файл .wav содержит заголовок, описывающий общие парамет-ры файла, и один или более фрагментов с дополнительной информацией орежимах и порядке воспроизведения, пометками, названиями и координа-тами различных участков сигнала.В отличие от Riff/Wave, файлы RAW представляют собой данные, как ониесть – без вспомогательной информации. Которая присутствует в стандарт-ных для платформы Macintosh файлах Apple AIFF, схожих с WAV.Сжатие цифрового аудио основано на психоакустических особенностяхслуха и использует эффект маскировки более тихих звуков более громки-ми, при этом тихие просто отбрасываются, а «порог актуальности» маски-руемых звуков определяется их удаленностью по частоте от маскирующих,а также другими параметрами.Из форматов, предполагающих сжатие с потерями, самым популярным яв-ляется MP3 (MPEG 1/2/2.5 Layer 3). Позволяет применять множество различ-ных способов сжатия, стандартным является лишь способ кодирования ужесжатых данных. Возможен вариант с постоянным битрейтом, определяемымисходя из требуемых размеров файлов или уровня качества, или с перемен-ным, когда битрейт меняется на разных фрагментах музыки, поддерживаяуровень качества постоянным. В целом MP3 характеризуется весьма удов-летворительным звучанием на средних и высоких битрейтах, но на низкихуступает другим форматам. Исключение составляет новая версия MP3 Pro,ориентированная именно на низкий битрейт и в связи с этим весьма затре-бованная в сетях Интернет.WMA, или Windows Media Audio, успешно конкурируют с MP3 на низких бит-рейтах (например, музыка при 64 кбит/с в WMA субъективно звучит не хуже, чем в MP3 с битрейтом 128 кбит/с. Кроме этого, данный формат обеспечива-ет защитную кодировку от несанкционированного копирования.Ogg Vorbis в целом схож с WMA и MP3, но отличается математическим ап-паратом обработки и ориентирован на частоту дискретизации 48 кГц. К томуже может поддерживать не 2, а до 255 каналов звука. Битрейт до 512 кбит/с,при сжатии, на 20-5-% более эффективном, чем в MP3, музыка субъектив-но звучит лучше. Серьезный конкурент MP3 и WMA, хотя и в неравной борь-бе с фирмами-гигантами.AAC (Advanced Audio Coding) разработан на основе MP3 (и той же компа-нией – Институтом Фраунгофера), но отличается расширенными возмож-ностями: поддерживает частоту дискретизации 96 кГц, до 48 каналов. Бо-лее высокое качество звука «оплачивается» относительно более медленнойпроцедурой кодировки и повышенными требованиями к «железу» по быст-родействию при воспроизведении. Одна из последних версий AAC под на-званием Liquid Audio, допускающая включение в поток данных не только«водяных знаков», как AAC, но и другой информации (об исполнителях, пра-вообладании и пр.), в какой-то момент явилась серьезным претендентом напреемственность MP3.Во многом похож на AAC японский формат VQF (SoundVQ), который скореевсего в скором времени исчезнет из поля зрения, хотя и поддерживаетсякомпанией Yamaha.Цифровой звук можно записывать на различные носители. В основном оп-тические диски, хотя по логике вещей рано ли поздно на арене останетсяодна лишь флэш-память , для которой не требуется никаких приводов с мо-торчиками.Тиражируют компакт-диски, как и прочие по-хожие носители (DVD, SACD), путем штам-повки поликарбонатных заготовок с алю-миниевых матриц, на которые наносятсяпиты – углубления. Кроме этого, при наличииобычного компьютера с пишущим CD (DVD)приводом музыкальные файлы различныхформатов можно записывать на матрицыCD-R, CD-RW и т.д. Файлы также хранят нажестком диске компьютера или специально-го аудиосервера, в котором может быть создана обширная фонотека, при-чем степень сжатия файлов (от нуля) выбирается пользователем.Магнитная цифровая запись на сегодня в основном остается в професси-ональной сфере и все увереннее покидает бытовую. Оптический диск болепривлекателен для потребителя, чем кассета, даже притом, что она имеетнебольшие размеры. Кроме этого, их массовой востребованности не спо-собствовали сложные отношения с обладателями прав на музыкальный кон-тент (как, впрочем, и в случае с DVD Audio и SACD). DAT-магнитофоны за-писывают цифровой звук без сжатия с высоким 3качеством. Существуетнесколько типов цифровых магнитофонов: со стационарными головками (S-DAT) и с вращающимися (R-DAT), записывающих сигнал на кассету; бо-бинный DASH, DAT, использующий кассеты S-VHS и поперечно-наклоннуюзапись. Формат DCC (запись с сжатием в PASC) в настоящее время признаннеперспективным. Магнитооптические диски MiniDisc используют запись салгоритмом сжатия ATRAC.Воспроизведение звукаВ конце любого аудиотракта присутствуют аналоговые электроакустичес-кие преобразователи – громкоговорители или наушники. Цифровые излуча-тели пока что находятся на стадии ранних идей. Усилители мощности такжев основном аналоговые, хотя постепенно пробивают себе дорогу и цифро-вые (точнее, импульсные, работающие по принципу широтно-импульсноймодуляции). Этот класс усилителей – D – обеспечивает небывало высокийпо сравнению с аналоговыми КПД (порядка 90%), малые размеры и вес, от-сутствие тепловыделения. Чтобы за усилителями класса D закрепилось про-чное положение лидеров, необходимо, тем не менее, решить многие важныепроблемы, и в первую очередь проблему фильтрации высокочастотных ком-понентов модулированного сигнала, уровень которых на выходе очень вы-сок. Кроме этого, практически отсутствуют усилители класса D с цифровымвходом: аналоговый сигнал подается на встроенный АЦП. Это, пожалуй,и есть основной фактор, тормозящий развитие данного направления: ведьосновная ценность самой идеи не в высоком КПД, а в возможности органи-зовать полностью цифровой аудиотракт без лишних преобразований и ана-логовых линий передач. Тем более цифровой выход на проигрывателях DVDне редкость. В последнее время в данной области стали появляться новыеразработки. Компания Tripath выпустила специальный процессор, управля-ющий параметрами импульсного усиления на основании анализа входногосигнала, который (в цифровой форме) на некоторое время задерживается вбуфере. В частности, в зависимости от текущего спектра сигнала подбира-ется оптимальная с точки зрения последующей фильтрации тактовая часто-та. Такие усилители (их называют «интеллектуальными») дали начало новойкатегории – усилители класса T. Подробнее см. брошюру «Усиление сигна-лов».На смену традиционным стерео- и моно- усилителям все чаще приходятмногоканальные, чаще всего строенные в AV-ресиверы, где имеется такжевсе необходимое для глубокой обработки многоканальных сигналов, деко-дирования и преобразования из одного формата в другой. Многоканальныйзвук становится все популярнее, причем не только в качестве сопровожде-ния к кино, но и сам по себе.(S-DAT) и с вращающимися (R-DAT), записывающих сигнал на кассету; бо-бинный DASH, DAT, использующий кассеты S-VHS и поперечно-наклоннуюзапись. Формат DCC (запись с сжатием в PASC) в настоящее время признаннеперспективным. Магнитооптические диски MiniDisc используют запись салгоритмом сжатия ATRAC.Воспроизведение звукаВ конце любого аудиотракта присутствуют аналоговые электроакустические преобразователи – громкоговорители или наушники. Цифровые излучатели пока что находятся на стадии ранних идей. Усилители мощности такжев основном аналоговые, хотя постепенно пробивают себе дорогу и цифровые (точнее, импульсные, работающие по принципу широтно-импульсноймодуляции). Этот класс усилителей – D – обеспечивает небывало высокийпо сравнению с аналоговыми КПД (порядка 90%), малые размеры и вес, отсутствие тепловыделения. Чтобы за усилителями класса D закрепилось про-чное положение лидеров, необходимо, тем не менее, решить многие важныепроблемы, и в первую очередь проблему фильтрации высокочастотных компонентов модулированного сигнала, уровень которых на выходе очень вы-сок. Кроме этого, практически отсутствуют усилители класса D с цифровымвходом: аналоговый сигнал подается на встроенный АЦП. Это, пожалуй,и есть основной фактор, тормозящий развитие данного направления: ведьосновная ценность самой идеи не в высоком КПД, а в возможности организовать полностью цифровой аудиотракт без лишних преобразований и ана-логовых линий передач. Тем более цифровой выход на проигрывателях DVDне редкость. В последнее время в данной области стали появляться новыеразработки. Компания Tripath выпустила специальный процессор, управляющий параметрами импульсного усиления на основании анализа входногосигнала, который (в цифровой форме) на некоторое время задерживается вбуфере. В частности, в зависимости от текущего спектра сигнала подбирается оптимальная с точки зрения последующей фильтрации тактовая часто-та. Такие усилители (их называют «интеллектуальными») дали начало новойкатегории – усилители класса T. Подробнее см. брошюру «Усиление сигналов».На смену традиционным стерео- и моно- усилителям все чаще приходят многоканальные, чаще всего строенные в AV-ресиверы, где имеется такжевсе необходимое для глубокой обработки многоканальных сигналов, декодирования и преобразования из одного формата в другой. Многоканальныйзвук становится все популярнее, причем не только в качестве сопровождения к кино, но и сам по себе.