Цифровой звук: DSD vs PCM
Цифровой звук. Как же много мифов крутится вокруг этой фразы. Сколько споров возникало между любителями удобства и качества цифры и приверженцами «живого воздушного» винилового звука помноженного на «тёплое ламповое» звучание. Кроме того, есть немало споров и между любителями «цифры»: достаточно ли 16х44.1 или нужно 24х192? Что лучше: мультибит или дельта-сигма? CDDA или SACD? PCM или DSD? В этой статье я попробую простым языком изложить азы цифрового звука, а так же более подробно остановлюсь на сравнении двух типов кодирования аналогового сигнала в цифровой: DSD и PCM.
Для начала ответим на вопрос, что есть цифровой звук? Чем он отличаются от аналогового? Если говорить кратко, математическим языком, аналоговый звуковой сигнал — непрерывная функция, цифровой звуковой сигнал — дискретная функция. Что это значит?
Аналоговый сигнал
Если нарисовать в воображении график синусоиды (именно так в чаще всего изображают звуковую волну): то, как бы мы его не увеличивали, стараясь рассмотреть все детали, — всегда будем видеть плавную гладкую линию: это аналоговый звуковой сигнал (рис. 1).
Рис. 1. Аналоговый сигнал
Аналоговый звук (запись) имеет множество параметров, с помощью которых можно оценить его качество. Рассмотрим три самых важных: частотный диапазон, динамический диапазон, искажения.
Частотный диапазон — набор частот, содержащихся в звуке. Принято считать, что частотный диапазон человеческого слуха 20… 20.000 Гц (иногда указывается 16 — 22.000 Гц). Сам по себе частотный диапазон музыки никакого интереса в плане оценки качества не представляет (к примеру, частотный диапазон все того же взлетающего самолета будет очень широк, а вокальной партии тенора — намного уже). Качественным параметром, скажем, наушников является потенциальный частотный диапазон, а оценивается он с помощью амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Идеальная АЧХ — прямая линия на всем диапазоне частот слуха – означает, что источник звука не усиливает и не ослабляет какие-то отдельные частоты, а значит извлекаемый звук совпадает с оригиналом.
Рис. 2. АЧХ MP3 файла 256 kbps
Динамический диапазон (ДД) — разность между самым тихим и самым громким звуком. Измеряется громкость в децибелах (дБ). Принято считать, что максимальная громкость, не наносящая травм человеку — это 130 дБ — звук взлетающего самолета, а минимальная слышимая громкость — 5… 10 дБ — на уровне шелеста листьев в маловетреную погоду. Естественно, что шелест листьев на фоне взлетающего самолета разобрать будет невозможно, да и слушать музыку с уровнем 130 дБ крайне неприятно. Поэтому принято считать, что комфортный ДД для прослушивания музыки — 80… 100 дБ.
Искажения – не что иное, как отклонение сигнала от оригинала.
Принципы представления звука в цифровом виде
Что же происходит при оцифровке аналогового звука? Не будем углубляться в технические аспекты, разберем все, как говорится, на бумаге: для этого нарисуем нашу воображаемую «идеальную» синусоиду и будем измерять величину сигнала через равные промежутки времени (этот процесс называется дискретизацией или квантованием): мы получим некий последовательный набор значений — это и будет наш цифровой сигнал, полученный методом импульсно-кодовой модуляции (PCM) (рис. 3).
Рис. 3. Преобразование аналогового сигнала в PCM
Два основных параметра качества PCM сигнала — это частота и разрядность. Частота — это количество измерений за одну секунду, чем их больше — тем с большей точностью передаётся сигнал. Частота измеряется в герцах: 44100 Hz, 192000 Hz и др. Разрядность — количество возможных значений величины сигнала (точность передачи величины). Чем больше вариантов — тем больше точность сигнала. Разрядность измеряется в битах: 16 bit (65.536 возможных значений, ДД 96 дБ), 24 bit (16.777.216 значений, ДД 144 дБ) и др.
Но это не единственный вариант представления звуковой волны в цифровом виде. Есть способ избавиться от такого параметра, как разрядность, оставить только два уровня амплитуды: -100% и +100% (0 или 1). Чтобы добиться этого, не потеряв в качестве, — нужно многократно увеличить частоту считывания величины сигнала (рис. 4).
Рис. 4. Преобразование аналогового сигнала в DSD
Такой вид представления цифрового звука называется импульсно-плотностной модуляцией, чаще всего для него используется аббревиатура DSD. Фактически, единственный качественный параметр такого сигнала — частота. Но так как частоты используются очень высокие (от 2.822.400 Hz), такие цифры сложно запомнить, принято делить частоту DSD сигнала на 44.100 Hz. Полученное число и является показателем качества: DSD64 (ДД 120 дБ), DSD128, DSD256 и т.д.
Восстановление аналогового сигнала из «цифры»
Но оцифровка аналогового сигнала – это полдела. Для прослушивания цифровой музыки нужно выполнить обратное преобразование. Для начала рассмотрим, каким образом превратить в звук цифровой DSD поток. Как мы уже знаем, этот поток представляет из себя высокочастотный (2,8 МГц и более) двухуровневый сигнал, средняя величина этого сигнала меняется со звуковой частотой. То есть, если подходить к решению задачи максимально просто, — нужно отфильтровать все высокочастотные составляющие DSD потока, оставив только полезный звуковой сигнал (частоты до 20. 22 кГц). Делается это с помощью аналогового фильтра низкой частоты (ФНЧ). Простейший ФНЧ – это RC цепочка. Сигнал полученный, после прохождения этой цепочки, показан на рис. 5.
Рис. 5. Восстановление аналогового сигнала из DSD
Как видим, полученный график лишь отдаленно напоминает исходную синусоиду. Но не забываем, что мы «применили» простейший фильтр, улучшая схему фильтра можно добиться практически полного отсутствия высокочастотного шума и получить аналоговый звук с хорошими качественными показателями.
Для восстановления аналогового сигнала из цифрового PCM недостаточно только лишь аналогового ФНЧ, нужно предварительно расшифровать цифровые данные, для этого используются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАПы). Бывают они разных типов, но описывать их все в задачи данной статьи не входит. Остановимся на 2-х самых распространённых типах в звуковой технике. Во-первых, это так называемый ЦАП лестничного типа (его ещё называют мультибитным). Как вы, наверное, догадались, такой ЦАП преобразует PCM поток цифровых данных в поток величин звукового сигнала, которые на графике выглядят как лестница (рис. 6). Как и в случае DSD, обязательно использование аналогового фильтра для сглаживания «ступенек».
Рис. 6. Восстановление аналогового сигнала из PCM
Зачастую, в таких преобразователях используется промежуточная передискретизация цифрового PCM сигнала в более высокие значения частоты (например, 192 кГц): это уменьшает «ступеньки», что позволяет упростить схему аналогового фильтра.
Второй тип ЦАП – дельта-сигма – использует передискретизацию в ещё большие значения частоты с одновременным уменьшением разрядности до одного бита. Ничего не напоминает? Это же знакомый нам DSD сигнал! Как далее обработать такой сигнал и превратить его в аналоговый, мы уже рассматривали выше.
Применение PCM и DSD, достоинства/недостатки
Где же мы можем встретить каждый из способов кодирования? PCM формат очень распространён: CDDA диски, DVD Audio, файлы MP3, FLAC, ALAC, AAC, звук в фильмах, и далее, и далее, проще сказать, когда не-PCM. Super Audio CD диски, DSD диски, файлы DSF, DFF — это DSD формат. Что же всё-таки лучше? При воспроизведении какого формата мы получим более качественный звук?
В статьях, посвященных DSD формату, описано множество преимуществ перед PCM, но все ли описываемые преимущества верны или это мифы, придуманные для обывателей, не разбирающихся в технической составляющей, чтобы отвоевывать рынок, плотно занятый PCM форматом? Давайте кратенько пройдемся по списку.
- Первое преимущество, которое любят приводить сторонники DSD, довольно расплывчатое — помехоустойчивость и снижение влияния ошибок. Странно слышать про разную помехоустойчивость в цифровом мире: оба формата подвержены помехам ровно настолько, насколько подвержена помехам книжка в цифровом формате. Длительность хранения любого цифрового формата или качество передачи его между устройствами зависят только от носителя / способа передачи, но не от самого формата. Итак, помехоустойчивость одинаковая. А что по поводу снижения влияния ошибок? Допустим, мы храним 2 альбома на оптических дисках (один PCM, другой DSD), что будет, если диск поцарапать? При чтении поврежденного носителя будут возникать ошибки, но насколько они критичны? В PCM кодировании используются многоразрядные числа, ошибка в старшем разряде очень критична (как пример, разница между десятичными числами 11 и 91): на слух это будет ощущаться, как щелчок. В DSD кодировании один бит информации имеет небольшой вес в общем потоке, нечастые ошибки будут вызывать лишь повышение фонового шума, что на слух будет менее заметно.
- Второе преимущество описывается чуть конкретнее: больший динамический диапазон по сравнению с PCM. Что же, и здесь есть некоторое лукавство, ДД больше лишь по сравнению с классическим CDDA форматом: 120 … 140 дБ против 96 дБ. Если же сравнивать, например, с DVD Audio — ДД примерно одинаков.
- Третье преимущество: DSD более прост технически. Вот здесь поспорить не с чем: более простое декодирование сигнала, отсутствие необходимости синхронизации и буферизации потока при передаче сигнала с одного устройства на другое — полная победа DSD. Кстати говоря, на фоне этого преимущества странно видеть заоблачные цены на аппаратуру, поддерживающую воспроизведение DSD.
- Ну и ещё одно преимущество, которое любят приводить фанаты DSD: музыка в этом формате наиболее близка к оригинальному аналоговому звуку. Аргументируется это тем, что современные аналогово-цифровые преобразователи (АЦП) — работают на принципе дельта-сигма модуляции, то есть эти АЦП выдают цифровой DSD поток. И вот опять лукавство: запись будет полностью оригинальной только в случае прямой записи живого выступления либо при оцифровке готовой аналоговой записи с качественного носителя. Операции сведения, наложения эффектов, мастеринга, даже простой подстройки громкости — всего того, без чего не может обойтись создание студийного альбома, — невозможны для цифрой DSD записи по причине отсутствия нормальных алгоритмов ее обработки. Это означает, что все эти операции производятся с PCM форматом, и только после этого готовая PCM запись конвертируется в DSD. Впрочем, нужно отметить, что преобразование PCM > DSD и обратно — достаточно точное: лишь немного возрастает шум за пределами реального динамического диапазона (рис. 7). А значит, не имеет особого значения, в каком формате слушать запись: PCM Hi-Res или DSD — оба формата по качественным характеристикам очень схожи. Так же, фактически, нет смысла покупать отдельную звуковую карту для воспроизведения DSD, послушав совета приятеля, фаната данного формата.
Расширение файла PCM
PCM — это расширение файла, обычно связанное с файлами Pulse Code Modulation. PCM файлы поддерживаются программными приложениями, доступными для устройств под управлением Linux, Mac OS, Windows. PCM формат файла, наряду с #NUMEXTENSIONS # другими форматами файлов, относится к категории Аудиофайлы. Самая популярная программа для обработки PCM файлов — MPlayer, но пользователи могут выбирать из 5 различных программ, которые поддерживают этот формат файлов. Программное обеспечение MPlayer было разработано The MPlayer Team, и на его официальном веб-сайте вы можете найти дополнительную информацию о файлах PCM или программном обеспечении MPlayer.
Программы, которые поддерживают PCM расширение файла
Ниже вы найдете указатель программ, которые можно использовать для открытия файлов PCM, разделенных на категории 3 в соответствии с поддерживаемой системной платформой. Файлы с суффиксом PCM могут быть скопированы на любое мобильное устройство или системную платформу, но может быть невозможно открыть их должным образом в целевой системе.
Программы, обслуживающие файл PCM
Windows
MAC OS
Linux
Как открыть файл PCM?
Проблемы с доступом к PCM могут быть вызваны разными причинами. Что важно, все распространенные проблемы, связанные с файлами с расширением PCM, могут решать сами пользователи. Процесс быстрый и не требует участия ИТ-специалиста. Приведенный ниже список проведет вас через процесс решения возникшей проблемы.
Шаг 1. Получить MPlayer
Основная и наиболее частая причина, препятствующая открытию пользователями файлов PCM, заключается в том, что в системе пользователя не установлена программа, которая может обрабатывать файлы PCM. Наиболее очевидным решением является загрузка и установка MPlayer или одной из перечисленных программ: Adobe Audition, Awave Studio. Полный список программ, сгруппированных по операционным системам, можно найти выше. Одним из наиболее безопасных способов загрузки программного обеспечения является использование ссылок официальных дистрибьюторов. Посетите сайт MPlayer и загрузите установщик.
Шаг 2. Проверьте версию MPlayer и обновите при необходимости
Если проблемы с открытием файлов PCM по-прежнему возникают даже после установки MPlayer, возможно, у вас устаревшая версия программного обеспечения. Проверьте веб-сайт разработчика, доступна ли более новая версия MPlayer. Разработчики программного обеспечения могут реализовать поддержку более современных форматов файлов в обновленных версиях своих продуктов. Это может быть одной из причин, по которой PCM файлы не совместимы с MPlayer. Все форматы файлов, которые прекрасно обрабатывались предыдущими версиями данной программы, также должны быть открыты с помощью MPlayer.
Шаг 3. Назначьте MPlayer для PCM файлов
После установки MPlayer (самой последней версии) убедитесь, что он установлен в качестве приложения по умолчанию для открытия PCM файлов. Процесс связывания форматов файлов с приложением по умолчанию может отличаться в деталях в зависимости от платформы, но основная процедура очень похожа.
Изменить приложение по умолчанию в Windows
- Выберите пункт Открыть с помощью в меню «Файл», к которому можно щелкнуть правой кнопкой мыши файл PCM.
- Далее выберите опцию Выбрать другое приложение а затем с помощью Еще приложения откройте список доступных приложений.
- Чтобы завершить процесс, выберите Найти другое приложение на этом. и с помощью проводника выберите папку MPlayer. Подтвердите, Всегда использовать это приложение для открытия PCM файлы и нажав кнопку OK .
Изменить приложение по умолчанию в Mac OS
- В раскрывающемся меню, нажав на файл с расширением PCM, выберите Информация
- Откройте раздел Открыть с помощью, щелкнув его название
- Выберите MPlayer и нажмите Изменить для всех .
- Должно появиться окно с сообщением, что это изменение будет применено ко всем файлам с расширением PCM. Нажимая Вперед , вы подтверждаете свой выбор.
Шаг 4. Проверьте PCM на наличие ошибок
Вы внимательно следили за шагами, перечисленными в пунктах 1-3, но проблема все еще присутствует? Вы должны проверить, является ли файл правильным PCM файлом. Проблемы с открытием файла могут возникнуть по разным причинам.
1. Проверьте PCM файл на наличие вирусов или вредоносных программ.
Если файл заражен, вредоносная программа, находящаяся в файле PCM, препятствует попыткам открыть его. Немедленно просканируйте файл с помощью антивирусного инструмента или просмотрите всю систему, чтобы убедиться, что вся система безопасна. Если файл PCM действительно заражен, следуйте инструкциям ниже.
2. Убедитесь, что структура файла PCM не повреждена
Если файл PCM был отправлен вам кем-то другим, попросите этого человека отправить вам файл. Возможно, файл был ошибочно скопирован, а данные потеряли целостность, что исключает доступ к файлу. При загрузке файла с расширением PCM из Интернета может произойти ошибка, приводящая к неполному файлу. Попробуйте загрузить файл еще раз.
3. Убедитесь, что у вас есть соответствующие права доступа
Существует вероятность того, что данный файл может быть доступен только пользователям с достаточными системными привилегиями. Войдите в систему, используя учетную запись администратора, и посмотрите, решит ли это проблему.
4. Проверьте, может ли ваша система обрабатывать MPlayer
Если система перегружена, она может не справиться с программой, которую вы используете для открытия файлов с расширением PCM. В этом случае закройте другие приложения.
5. Проверьте, есть ли у вас последние обновления операционной системы и драйверов
Современная система и драйверы не только делают ваш компьютер более безопасным, но также могут решить проблемы с файлом Pulse Code Modulation. Возможно, файлы PCM работают правильно с обновленным программным обеспечением, которое устраняет некоторые системные ошибки.
PCM Audio в стерео и домашнем кинотеатре
PCM (импульсная кодовая модуляция) описывает процесс, который используется для преобразования аналоговых аудиосигналов (представленных в виде сигналов) в цифровые аудиосигналы (представленные единицами и нулями – во многом подобно компьютерным данным) без сжатия. Этот процесс позволяет записать музыкальный спектакль или саундтрек к фильму, чтобы поместиться в меньшем пространстве, виртуально и физически.
Чтобы наглядно представить пространство, занимаемое аналоговым и цифровым звуком, сравните размер виниловой записи (аудио) с размером компакт-диска (цифрового).
Основы PCM
Преобразование аналого-цифрового аудио в PCM может быть сложным, в зависимости от преобразуемого контента, требуемого или желаемого качества, а также от того, как информация хранится, передается и распространяется.
В основных терминах аудиофайл PCM представляет собой цифровую интерпретацию аналоговой звуковой волны. Цель состоит в том, чтобы максимально точно воспроизвести свойства аналогового аудиосигнала.
Аналоговое преобразование в PCM осуществляется с помощью процесса, называемого выборкой. Как уже упоминалось выше, аналоговый звук движется волнами, в отличие от PCM, который представляет собой серию единиц и нулей. Для захвата аналогового звука с использованием PCM необходимо сэмплировать определенные точки звуковой волны, исходящей от микрофона или другого аналогового аудиоисточника.
Количество аналогового сигнала, которое дискретизируется в данной точке (называемой битами), также является частью процесса. Больше точек сэмплирования в сочетании с более крупными участками звуковой волны, сэмплированной в каждой точке, означает большую точность, обнаруживаемую на конце прослушивания.
Например, в аудио CD, аналоговая форма сигнала дискретизируется 44,1 тысячи раз в секунду (или 44,1 кГц) с точками размером 16 бит (глубина в битах). Другими словами, цифровой аудио стандарт для аудио CD составляет 44,1 кГц/16 бит.
PCM Audio и домашний кинотеатр
PCM используется в CD, DVD, Blu-ray и других цифровых аудио приложениях. При использовании в приложениях объемного звучания его часто называют линейной импульсной кодовой модуляцией (LPCM).
Проигрыватель CD, DVD или Blu-ray считывает сигнал PCM или LPCM с диска и может передавать его двумя способами:
- Сохраняя цифровую форму сигнала и отправляя его на приемник для домашнего кинотеатра через цифровое оптическое, цифровое коаксиальное или HDMI-соединение . Приемник домашнего кинотеатра затем преобразует сигнал PCM в аналоговый, чтобы приемник мог отправлять сигнал через усилители и динамики. Сигнал PCM должен быть преобразован в аналоговый, потому что человеческое ухо слышит аналоговые аудиосигналы.
- Путем преобразования внутреннего сигнала PCM обратно в аналоговую форму, а затем передачи воссозданного аналогового сигнала в домашний кинотеатр или стереоприемник через стандартные аналоговые аудиоподключения . В этом случае стерео или ресивер домашнего кинотеатра не должны выполнять никаких дополнительных преобразований, чтобы вы могли слышать звук.
Большинство проигрывателей компакт-дисков обеспечивают только аналоговые аудиовыходы, поэтому сигнал PCM на диске должен быть преобразован проигрывателем в аналоговый. Однако некоторые проигрыватели компакт-дисков (а также почти все проигрыватели дисков DVD и Blu-ray) могут передавать аудиосигнал PCM напрямую, используя опцию цифрового оптического или цифрового коаксиального подключения. Кроме того, большинство проигрывателей дисков DVD и Blu-ray могут передавать сигналы PCM через соединение HDMI. Проверьте ваш плеер и стерео или домашний кинотеатр на наличие вариантов подключения.
PCM, Dolby и DTS
Другая хитрость, которую может сделать большинство проигрывателей дисков DVD и Blu-ray, – это чтение недекодированных аудиосигналов Dolby Digital или DTS. Dolby и DTS являются цифровыми аудиоформатами, которые используют кодирование для сжатия информации, чтобы она вписывала всю аудиоинформацию объемного звука в цифровом виде на диск DVD или Blu-ray. Обычно не декодированные аудиофайлы Dolby Digital и DTS передаются на ресивер для домашнего кинотеатра для последующего декодирования в аналоговый формат, но есть и другой вариант.
После считывания закодированных некодированных сигналов с диска многие проигрыватели дисков DVD или Blu-ray также могут преобразовывать сигналы Dolby Digital и DTS в несжатый PCM, а затем:
- Передайте этот декодированный сигнал непосредственно на ресивер домашнего кинотеатра через соединение HDMI, или
- Преобразуйте сигнал PCM в аналоговый для вывода через два или многоканальные аналоговые аудиовыходы на ресивер для домашнего кинотеатра, который имеет соответствующие совместимые входы.
Поскольку сигнал PCM является несжатым, он занимает больше места в полосе пропускания. В результате, если вы используете цифровое оптическое или коаксиальное соединение от проигрывателя дисков DVD или Blu-ray к ресиверу домашнего кинотеатра, остается только достаточно места для передачи двух каналов звука PCM.Такая ситуация хороша для воспроизведения CD, но для сигналов объемного звучания Dolby Digital или DTS, которые были преобразованы в PCM, необходимо использовать соединение HDMI для полного объемного звучания, поскольку оно может передавать до восьми каналов звука PCM.
Подробнее о том, как PCM функционирует между проигрывателем дисков Blu-ray и ресивером для домашнего кинотеатра, смотрите в настройках аудио проигрывателя дисков Blu-ray: битовый поток против PCM.