(27-01-2012 20:51)Гаруспик писал(а): (27-01-2012 18:24)petro писал(а): (27-01-2012 18:17)Гаруспик писал(а): У сиди динамический диапазон меньше, чем у винила и кассеты.
Динамический диапазон cd - 98 дБ, что заметно превосходит 76 дБ подавляющего большинства аналоговых лент.
Классическое непонимание предмета. Как уже многими неоднократно писалось - уменьшение громкости на 6 дб приводит к уменьшению разрядности на 1 бит. Т.е 0 дб кодируется 16 битами, -6 дб 15-ть и -48 8 битами. А 8 бит - это звук игровой приставки Денди (кто ещё помнит). Поэтому максимальны ДД cd около 40 дб.
Собственно поэтому сиди - единственный музыкальный носитель где есть клиппинг на коммерческих записях. Не хватает для многих произведений динамического диапазона.
Также искажения сиди просто огромны по сравнению с аналоговыми носителями на малых уровнях сигнала. В десятки раз больше.
дабы уяснить этот момент займу немного места , но так же советую потратить 10 -15 минут на прочтение этого материала
Гаруспик я думаю вам будет интересно как никому здесь
О ДИНАМИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ CD, "ТЕПЛОТЕ" ВИНИЛА
И Hi-Fi-СКАЗКАХ.
А.Л.Гурский
Минск, Беларусь
В последнее время среди любителей высококачественного звуковоспроизведения стало чуть ли не правилом хорошего тона ругательно отзываться о компакт-дисках формата CDDA (или 44/16). И звучат они плохо, и динамический диапазон якобы узок, не в пример старому доброму винилу… Масла в огонь подлили утверждения, что реальный динамический диапазон CD вышеуказанного формата якобы не превышает 35-37 дБ -намного меньше обеспечиваемого компакт-кассетами (55 дБ) и грампластинками (60-65 дБ) [1].
Звучит обескураживающе. Значит, формат CDDA столь никчемен и плох?
Передаваемые из уст в уста некрасивые цифры и агрессивные лозунги "назад, к винилу!" породили фрустрацию в рядах продвинутых любителей аудио. На поднятой волне народного недовольства быстро выплыли новые форматы записи -даешь бОльшие частоты дискретизации, бОльшую разрядность - 24, 32, а там, глядишь, и 64 бита… Радости дельцов от аудиоиндустрии нет предела -найден удобный предлог и повод ввести
в уши меломано-аудиофильской общественности, что раскошеливаться на замену фонотек и перевод их на новые носители с новыми форматами записи -абсолютно необходимое дело. Но так ли уж плох формат CDDA, "как его малюют"? Попробуем разобраться и отделить правду от сказок -старых и новых. Не будем рассматривать вопросы, связанные с неидеальностью технической реализации конкретных систем, а рассмотрим вначале только некоторые принципиальные возможности и ограничения формата. При этом не будем касаться погрешностей преобразования, вызванных неидеальностью АЦП и ЦАП -этому уделено достаточно места в [2,3]. Частоту дискретизации тоже трогать не будем -это тема отдельной статьи, и об этом уже достаточно написано. Займемся разрядностью. Если учесть, что до и после АЦП-ЦАП мы имеем дело с аналоговыми сигналами, в аналоговых трактах (если не всегда после, то всегда -до, если речь не идет о "чисто электронной музыке"), с присущими им шумами, нелинейностью, помехами и нестабильностями, то окажется, что разрядность выше 16, как правило, не только избыточна, но и весьма трудно реализуема. Применение более высокой разрядности
оправдано только в процессах обработки информации, чтобы избежать накопления ошибок округления.
Далее, много говорится о вреде шумов квантования. Если принять шумы
квантования цифровой записи формата CDDA соответствующими плюс-минус одной единице младшего разряда в обе стороны и учесть, что кодируемый сигнал биполярный (т.е. кодируется целыми числами от -32768 до +32767, то нетрудно подсчитать
максимально достижимое в такой системе амплитудное отношение сигнал/шум -оно равно в децибелах 20*lg(32767)=90,3 дБ*) . Округлим для простоты до целого значения 90 дБ. Если поверить приведенной в [1] страшилке о том, что коэффициент нелинейных искажений вырастет до одного процента уже при уровне сигнала минус 50 дБ (1% -это 40 дБ, 90-40=50), да учесть еще пик-фактор сигнала, равный 13 дБ (средняя цифра,
принятая в радиовещании [4]), забыв при этом о пик-факторе шума, то получается скромная цифра в 37 дБ. Кисло? Не совсем. Дело в том, что простыми операциями вычитания и логарифмирования тут не обойтись. Потому, что, во-первых, отношения среднеквадратичных значений (RMS) к амплитудным у синусоидального и шумового
*) Если принять амплитуду шума квантования, равную одной единице младшего разряда, получим величину примерно 96 дБ.
сигнала могут отличаться, во-вторых, у сигналов, в том числе и музыкальных, а также шумов, кроме амплитудных есть еще и спектральные характеристики, а ухо как приемник информации представляет собой нелинейный спектроанализатор. Говорить об отношении сигнал/шум и динамическом диапазоне без учета спектральных характеристик вообще неправильно, поскольку оба понятия имеют смысл только для определенного
частотного интервала, о чем часто забывают. Кстати, ясности в вопросе об отношении сигнал/шум и динамическом диапазоне аудиотрактов нет даже в специальной литературе, включая учебники. Для 16-разрядного кодирования встречаются разные определения и численные значения этого отношения -от 116 дБ [5] и выше до 75-80 дБ [4]. Как будут выглядеть отношения сигнал/шум в спектральном представлении? Для начала, чтобы избежать путаницы, договоримся об определениях. Под отношением сигнал/шум понимают отношение максимального амплитудного значения напряжения (мощности) полезного сигнала к действующему значению (или среднеквадратичному
значению, RMS) напряжения (мощности) шума [6]. Отсюда видно, что учет пик-фактора нужен только для шума, причем этот учет только увеличит отношение сигнал/шум. Здесь, правда, имеется неопределенность, связанная с тем, что пик-фактор шума может принимать самые различные значения, и теория тут ничем не поможет. Поэтому не будем залезать в дебри теории цифровой обработки сигналов, теории кодирования (как уже говорилось, даже в учебниках -разнобой и путаница) и теории шумов, а поставим несложный эксперимент. Как известно, практика -критерий истины. Ответ может быть получен каждым, имеющим компьютер и соответствующее программное обеспечение. Сгенерируйте в любом звуковом редакторе синусоидальный сигнал достаточной
длительности, частотой, скажем, 1 кГц, с максимальной амплитудой (такой, чтобы добавка шума к сигналу не вызвала переполнения разрядной сетки; примем эту амплитуду за 0 дБ) и посмотрите его спектр. "Естественные шумы квантования" там уже частично будут присутствовать -в этом легко убедиться, просмотрев сигналограмму с достаточным увеличением. А что покажет спектрограмма сигнала? Программный спектроанализатор, например, "Спектралэб", даст ответ. Он покажет отношение сигнал/шум около 116 дБ -
значение, совпадающее с приведенным в [5]. Соответствующее значение коэффициента гармоник - 0,00014%. Дело в том, что амплитуда шумов квантования на каждой конкретной частоте значительно ниже амплитудного значения -96 дБ. Поскольку ухо -спектральный прибор, оно будет воспринимать спектральную плотность шума, а не его амплитудные значения в заданный момент времени. А спектральная плотность шума в частотном интервале, стремящемся к нулю, будет где-то под -130 дБ. Поскольку шум
должен быть определен в полосе частот -получим в звуковом диапазоне те самые 116 дБ. Чтобы более адекватно смоделировать реальную ситуацию, добавим к сигналу дополнительно белый шум с амплитудой -90 дБ. Дело в том, что если для сигналов большой амплитуды шумы квантования не коррелированы с сигналом и полностью соответствуют шумам аналоговой аппаратуры [2], то для малых амплитуд это не так. Чтобы устранить эту корреляцию и снова иметь дело со стационарным белым шумом, к
сигналу добавляют белый "шум раскачки" (dither noise) с амплитудой, в два раза
превышающей амплитуду шумов квантования -в этом случае характеристики шума становятся опять соответствующими таковым для аналоговой техники [2]. Учтем далее, что ухо анализирует сигналы (в первом приближении) в третьеоктавных полосах, т.е. шум
интегрируется в пределах каждой полосы . Это приведет к изменению воспринимаемого
соотношения сигнал/шум. Для сигнала с частотой 1 кГц оно составит примерно 110 дБ. Это и есть РЕАЛЬНОЕ соотношение сигнал/шум для цифрового формата записи CDDA. Заметим -для формата записи, а не для проигрывателя компакт-дисков (ПКД) или конкретной фонограммы.
И как это выглядит в сравнении с конкурентами -грампластинкой и компакт-
кассетой? Очень даже неплохо -это показано на рис. 1, где приведены измеренные зависимости отношения сигнал/шум от уровня сигнала для формата СDDA (кривая 1), грампластинки (кривая 2) и компакт-кассеты (кривая 3). Чтобы сравнение было более
полным и корректным, дополнительно приведены экспериментально измеренные отношения, снятые с выхода двух недорогих ПКД - SONY CDP-211 и Technics SL-PG440A
(кривые 4 и 5 соответственно) В этом случае автоматически учитываются также все неидеальности тракта воспроизведения.
Рис. 1. Зависимости отношения сигнал/шум (SNR) от уровня сигнала для CD (кривая 1),
грампластинки (кривая 2), компакт-кассеты (кривая 3), а также для ПКД SONY
CDP-211 (кривая 4) и Technics SL-PG440A (кривая 5).
Во всех случаях сигналы с линейных выходов устройств подавались на вход
звуковой карты M-Audio Audiophile 2496, работавшей в режиме 24-битного кодирования с частотой дискретизации 96 кГц (кстати, при этой частоте дискретизации уровень шумов, обусловленный аналоговой частью тракта, возрастал на 3 дБ по сравнению с частотами 44.1 и 48 кГц). Погрешности измерений определялись как характеристиками карты, так и артефактами программного анализатора спектра ("Спектралэб"), особенно в области больших амплитуд сигнала.
Зависимости для грампластинки были сняты с использованием измерительной
грампластинки типа QR 2010 фирмы "Брюль и Къер" и проигрывателя SD5000 фирмы ISP (Япония). Шумы корректирующего усилителя, собранного на микросхемах NE5532А (на таких же ОУ, кстати, выполнены входные цепи использованной звуковой карты), были намного ниже шума немой канавки грампластинки. Для нее измеренное отношение сигнал/шум на частоте 1 кГц, 0 дБ, номинальный уровень записи, составило (для третьеоктавных полос) 70 дБ. Цифра неплохая, но это на 40 дБ хуже, чем для CDDA.В случае компакт кассеты тестовые сигналы, записанные на компакт-кассету TDK D-90 (МЭК-I), воспроизводились магнитофоном Fisher CR-9030 без применения компандерного шумопонижения. Соотношение сигнал/шум для третьеоктавных полос составило -56 дБ -хуже, чем для грампластинки. Это значение, кстати, практически совпадает с приведенным в [1].
Полученное выше соотношение сигнал/шум 110 дБ характеризует формат записи CDDA, а не конкретное устройство проигрывания компакт-дисков. Реальные значения для конкретных ПКД, как правило, хуже (кривые 4 и 5 на рис.1), но это уже ограничение аналогового тракта, налагаемое термодинамикой -тепловыми шумами в нем -и нелинейными искажениями (анализатор не отличает продукты искажений от шумов, чем и вызваны "загибы" характеристик на рисунках в области больших амплитуд сигналов). Другой ограничивающий фактор -погрешности ЦАП [3], которые в нашем случае даже
более существенны, чем шумы аналоговых выходных цепей. Погрешности ЦАП
полностью перекрывают шумы квантования, так что вопрос о последних -скорее
надуманный. Таким образом, ограничение соотношения сигнал/шум ПКД определяется в основном несовершенством ЦАП и аналоговой части, а формат CDDA имеет даже запас по этому параметру. В этом состоит принципиальное отличие формата CDDA от грамзаписи и магнитной записи, поскольку в случае СDDA ограничивающим фактором выступают параметры устройства считывания, тогда как у грамзаписи и магнитной записи параметры ограничены свойствами носителя. Из приведенных здесь данных и известных данных о шумах аппаратуры звукозаписи следует, что если речь не идет об "электронной" музыке, записываемой напрямую в цифровом виде без применения микрофонной техники, и о промежуточной
обработке фонограмм, где существенно накопление ошибок округления, то наращивание разрядности кодирования в цифровой записи не имеет особого смысла. Ограничивающим фактором является не разрядность, а параметры АЦП, ЦАП и аналоговых трактов. А что же с динамическим диапазоном? В литературе встречаются разные подходы для вычисления динамического диапазона. Принципиально по-разному определяются динамический диапазон сигналов (вероятностный подход) и воспроизводящих устройств (обычно амплитудный подход). Часто путают динамический диапазон и отношение
сигнал/шум. Принимаются разные допустимые значения перегрузки и разные величины превышения сигнала над шумом -от 0 до 20 дБ, кто-то принимает во внимание пик-фактор сигнала, кто-то нет. Чтобы избежать путаницы, приведем определение. Под динамическим диапазоном какого-либо устройства будем понимать интервал между
наибольшим и наименьшим значением напряжения или мощности сигналов, в пределах которого они передаются таким устройством с допустимыми искажениями переносимой
информации [7]. Искажения сигнала могут быть вызваны любой причиной, не важно,
шумами или нелинейностью тракта, хотя, скажем, искажения, вызванные нелинейностью, коррелированы с амплитудой сигнала, а вызванные шумами -не всегда. Будем считать, что допустимый уровень искажений не должен превышать 1% (как в [1]). Построим по экспериментальным данным графики зависимости коэффициента гармоник, обусловленного шумами и перегрузкой, от уровня сигнала, для CDDA, грампластинки (LP), компакт-кассеты (СR) и вышеупомянутых ПКД. Графики представлены на рис. 2.
Рис. 2. Экспериментально снятые графики зависимости коэффициента нелинейных
искажений (К.Н.И.) от относительного уровня сигнала для формата CDDA
(кривая 1), грампластинки (LP), компакт-кассеты (CR), ПКД SONY CDP-211 и
Technics SL-PG440A.
Данные рис. 2 ясно показывают, что утверждения о якобы малом динамическом
диапазоне CD в сравнении с аналоговыми носителями, а также о том, что коэффициент нелинейных искажений в аналоговых системах, в отличие от цифровых, монотонно убывает с частотой сигнала -это как раз "сказки". Шумы аналоговых носителей точно так же вызывают рост искажений, как и шумы квантования CD, только их вклад по сравнению
с CD намного выше из-за повышенной "шумности" аналоговых носителей. В случае магнитного носителя, кстати, аналогия с шумами квантования практически полная в силу физической природы явления намагничивания носителя. Кстати, в нашем случае для
малых сигналов нет никакой разницы, чем вызваны шумы -важен только их вклад в искажения сигнала. Если положить максимально допустимый коэффициент гармоник равным 1%, как предлагается в [1], и пользоваться вышеприведенным определением понятия динамического диапазона, то ему будут соответствовать отрезки горизонтальной прямой на рис. 2, проведенной на уровне коэффициента гармоник THD=1%, ограниченные точками пересечения с кривыми зависимостей искажений от уровня сигнала. Легко видеть, что динамический диапазон компакт-диска будет равен примерно
75 дБ, грампластинки - 35 дБ, компакт-кассеты -около 40 дБ. Не спасает даже то, что человеческий мозг может извлекать при определенных условиях полезный сигнал, уровень которого лежит ниже уровня шумов. Современные технические средства позволяют проделывать такую процедуру для сигналов, уровень которых на 30 дБ ниже, чем уровень шумов и помех. Нет оснований отрицать, что что-то подобное состоянии делать и человеческий мозг. Однако даже в этом экстремальном случае динамический диапазон уровней воспринимаемых сигналов с грампластинки не дотянет до такового для CD. Увеличение допустимого уровня искажений расширит динамический диапазон для
всех носителей, не изменив существенно разницы между ними.
Таким образом,
динамический диапазон формата CDDA примерно на 40 дБ шире, чем у грампластинок, и приблизительно на 35 дБ шире, чем у ширпотребовской компакт-кассеты. Сравнение с рекордными показателями аналоговой звукозаписи не имеет особого смысла, так как эти "рекорды" установлены в лабораторных или близких к ним условиях и в повседневной практике подавляющего большинства любителей звукозаписи не встречаются. По
объективным параметрам безусловный выигрыш -за форматом CDDA. Динамический диапазон 75 дБ, характерный для формата CDDА, имеют и аналоговые студийные магнитофоны [2]. Нельзя сбрасывать со счетов и шумы микрофонных усилителей -никто их, как правило, сжиженными газами не охлаждает. Отсюда вывод: формат CDDА вполне адекватен для хранения и воспроизведения аудиофонограмм, записанных на аналоговые
магнитные носители с использованием микрофонной техники. "Cредние" проигрыватели компакт дисков начального уровня категории Hi-Fi не реализуют предельных возможностей формата CDDA. Они обеспечивают динамический диапазон порядка 67 дБ
(рис.2), отношение сигнал/шум в третьеоктавных полосах -около 80 дБ. Если
возможности даже этого формата не обеспечиваются большинством воспроизводящих аппаратов, за исключением очень дорогих моделей, то что говорить о более "продвинутых" форматах? Их преимущества иллюзорны, потому что абсолютном большинстве случаев просто не будут реализованы.
Но почему тогда столько плевков в сторону компакт-дисков и столько
восторженных отзывов о "звучании винила"? На один важный момент указал, в частности, А.М.Лихницкий. Он справедливо подчеркнул, что оцифровка звукозаписей, особенно в начальный период, велась на аппаратуре, имевшей очень некачественный аналоговый тракт. То есть "цифровое звучание" обязано своим появлением несовершенству применявшихся аналоговых трактов записи! С тех пор аппаратура значительно улучшена, но проблема осталась. Значит, есть еще причины. Укажем на несколько дополнительных обстоятельств. Первое из них связано с особенностями человеческого слуха и со специфическим составом гармоник при воспроизведении грамзаписи. Головка звукоснимателя является великолепным генератором гармоник -по сути дела, это механический эксайтер. Обусловлено это тем, что вертикальная гибкость подвижных систем звукоснимателей, во-первых, значительно
ниже горизонтальной, во-вторых, сильно нелинейна. Чтобы прижать иглу к
звукоснимателю, находящемуся в рабочем положении, требуется значительно большее усилие, чем для смещения ее в обратном направлении. Поэтому если с поперечной записью головки звукоснимателя еще неплохо справляются, то с глубинной -беда. Не будем вдаваться в подробности явления, это заняло бы много места, приведем лишь
результат -осциллограмму воспроизведения глубинной записи сигнала номинального уровня частотой 1 кГц с измерительной грампластинки фирмы "Мелодия" ИЗМ 33С-000312 И 33С-000105 (рис. 3). Воспроизведение было выполнено на вышеупомянутом
проигрывателе с головкой Grado Z+, прижимная сила соответствует номинальной, указанной в паспорте головки.
Асимметрия сигнала на рис. 3 видна невооруженным глазом. Коэффициент гармоник - 14-16% (!), а уровень второй гармоники -минус 17 дБ относительно основного тона! Результат для головки ГЗМ-003 еще более кошмарен, поэтому здесь не приводится.
Болезнь общая для всех головок традиционной конструкции -силу тяжести и законы упругости ведь не отменишь, хотя у более качественных головок эффект несколько меньше. А теперь вспомним, что стереосигнал записывается по системе 45/45, т.е. со значительной составляющей глубинной записи. "Эффект эксайтера", делающий сигнал "благозвучным" - вот одна из главных причин "теплоты" винила. Почему же он "благозвучен"? Причина лежит в области психоакустики. В применении к звукоусилению о ней написал в своей работе, например, Д. Чивер [8]. Вкратце, дело в том, что ухо человека -нелинейный приемник -само генерирует гармоники, амплитуда которых достаточно велика, но довольно быстро спадает с ростом номера гармоники. По Чиверу,
система ухо-мозг воспринимает акустический тракт как "прозрачный", если закон распределения амплитуд гармоник этого тракта соответствует таковому для человеческого уха. При этом уровень второй гармоники может достигать 7% -ее не будет слышно, важно резкое уменьшение амплитуд гармоник с ростом их порядка -уровень каждой последующей должен быть примерно на 20 дБ ниже предыдущей. Тогда будет достигнуто маскирование гармоник более высоких порядков гармониками более низких, а также основным тоном. Если же закон спадания амплитуд гармоник не соблюдается -маскировки не происходит, и человек слышит искажения, даже очень малые. Именно этим
объясняется слышимость весьма малых искажений высокого порядка в транзисторных усилителях и чистота звучания некоторых ламповых однотактников. И именно маскирующим действием возникающих при воспроизведении грамзаписи гармоник
низких порядков большой амплитуды по отношению к гармоникам высших порядков (в том числе и уже имевшимся в фонограмме) можно объяснить субъективно более высокое качество звучания грамзаписи по сравнению с CD. Короче говоря, грамзапись "красиво врет". О высокой верности воспроизведения звука здесь, к сожалению, говорить не приходится.
У меня-новый сиди
... опять опоздал 
