Введение

Различия в звучании между различными технологиями

Звук можно записывать, хранить и воспроизводить как с помощью цифровых, так и аналоговых технологий. Оба подхода вносят ошибки и искажения в звук, и эти методы можно систематически сравнивать. Музыканты и слушатели спорят о том, что лучше – цифровые или аналоговые звукозаписи. Аргументы в пользу аналоговых систем включают отсутствие присущих цифровым аудиосистемам фундаментальных источников ошибок, таких как алиасинг и связанные с ним антиалиасинговые фильтры, джиттер и шум квантования. Сторонники цифрового звука указывают на высокие показатели, достижимые в цифровом аудио, включая отличную линейность в слышимом диапазоне и низкий уровень шума и искажений, а также на гармонические искажения и нестабильность скорости аналоговых систем.

Динамический диапазон

Динамический диапазон аудиосистемы – это мера разницы между наименьшими и наибольшими значениями амплитуды, которые могут быть представлены в среде. Цифровые и аналоговые системы различаются как методами передачи и хранения, так и поведением, обусловленным этими методами. Динамический диапазон цифровых аудиосистем может превышать динамический диапазон аналоговых аудиосистем. Потребительские аналоговые кассеты имеют динамический диапазон от 60 до 70 дБ. Аналоговые FM-вещания редко достигают динамического диапазона более 50 дБ. Динамический диапазон виниловой пластинки, изготовленной методом прямой нарезки, может превышать 70 дБ. Аналоговые студийные мастер-ленты могут иметь динамический диапазон до 77 дБ. У LP, изготовленной из идеального алмаза, размер элемента структуры составляет около 0,5 нанометра, что при размере канавки 8 микрон обеспечивает теоретический динамический диапазон 110 дБ. LP, изготовленная из идеального винила, имела бы теоретический динамический диапазон 70 дБ. Измерения показывают максимальную фактическую производительность в диапазоне от 60 до 70 дБ. Обычно 16-битный аналого-цифровой преобразователь может иметь динамический диапазон от 90 до 95 дБ, в то время как отношение сигнал/шум (приблизительно эквивалентное динамическому диапазону, учитывая отсутствие шума квантования, но наличие шипения ленты) профессионального магнитофона катушечного типа с лентой шириной ¼ дюйма составляет от 60 до 70 дБ при номинальной выходной мощности магнитофона. В отличие от этого, цифровые PCM-регистраторы демонстрируют нежелательное поведение при перегрузке; во многих записях высокоуровневые искажения на пиках сигнала могут быть замаскированы исходным сигналом, поэтому значительные искажения могут быть допустимы на пиковых уровнях сигнала. Различие между аналоговыми и цифровыми системами заключается в характере ошибки сигнала при высоких уровнях. Некоторые ранние аналого-цифровые преобразователи демонстрировали нежелательное поведение при перегрузке, когда перегруженные сигналы "перетекали" от положительного к отрицательному пределу шкалы. Современные конструкции преобразователей, основанные на сигма-дельта-модуляции, могут стать нестабильными в условиях перегрузки. Обычно при проектировании цифровых систем ставится цель ограничения высокоуровневых сигналов для предотвращения перегрузки.

Физическое разрушение

В отличие от аналогового копирования, цифровые копии являются точными репликами, которые теоретически можно дублировать бесконечно и без потерь качества. Коррекция ошибок позволяет цифровым форматам сохранять работоспособность при значительном износе носителей, хотя цифровые носители не застрахованы от потери данных. Потребительские CD-R диски имеют ограниченный и переменный срок службы из-за как внутренних, так и производственных дефектов. При воспроизведении виниловых пластинок с каждым проигрыванием происходит некоторая потеря качества звука из-за износа иглы, контактирующей с поверхностью пластинки. Магнитные ленты, как аналоговые, так и цифровые, изнашиваются из-за трения между лентой и головками, направляющими и другими частями магнитофона при движении ленты. Коричневый налет, остающийся на тампонах при очистке тракта магнитофона, на самом деле состоит из частиц магнитного покрытия, отслаивающихся от ленты. "Липкий синдром" – распространенная проблема старых магнитных лент. Ленты также могут деформироваться, растягиваться и иметь заломы по краям пластиковой основы, особенно если использовались некачественные магнитофоны или они были неправильно настроены. При воспроизведении CD физический контакт отсутствует, поскольку данные считываются оптическим способом с помощью лазерного луча. Следовательно, износ носителя не происходит, и CD при бережном обращении будет звучать одинаково при каждом воспроизведении (не считая старения самого диска и проигрывателя); однако это преимущество оптической системы, а не цифровой записи. Формат Laserdisc также обладает этим преимуществом бесконтактного считывания аналогового оптического сигнала. CD-диски подвержены разрушению (disc rot) и медленно деградируют со временем, даже при правильном хранении и неиспользовании. Технология записи на оптические диски M DISC, позиционируемая как сохраняющая читаемость в течение 1000 лет, доступна на некоторых рынках, но по состоянию на конец 2020 года не выпускалась в формате CD-R. (Однако звук можно было записать на M DISC DVD-R с использованием формата DVD-Audio.)

Шум

Для электронных аудиосигналов источниками шума являются механический, электрический и термический шум в процессе записи и воспроизведения. Величина шума, добавляемого аудиооборудованием к исходному сигналу, может быть измерена. Математически это выражается отношением сигнал/шум (SNR или S/N). Иногда вместо этого указывается максимально возможный динамический диапазон системы. В цифровых системах качество воспроизведения зависит от этапов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, а не от качества носителя информации, при условии, что он способен сохранять цифровые значения без ошибок. Цифровые носители, обеспечивающие побитовую точность хранения и воспроизведения, широко используются уже давно, поскольку изначально разрабатывались для хранения программного обеспечения, не допускающего ошибок. Теоретически, процесс аналого-цифрового преобразования всегда вносит квантовое искажение. Это искажение можно представить в виде некоррелированного квантового шума с помощью добавления дитера. Величина этого шума или искажения определяется количеством уровней квантования. В двоичных системах это определяется и обычно указывается в битах. Каждый дополнительный бит увеличивает потенциальное отношение сигнал/шум примерно на 6 дБ (например, 24 x 6 = 144 дБ для 24-битного и 120 дБ для 20-битного квантования). 16-битная цифровая система Red Book Audio CD имеет 216 = 65 536 возможных амплитуд сигнала, что теоретически обеспечивает отношение сигнал/шум 98 дБ.

Громкость

Гром (или рокот) – это вид шума, возникающий из-за несовершенств подшипников проигрывателей виниловых пластинок. Диск проигрывателя имеет тенденцию совершать небольшие движения помимо желаемого вращения, а поверхность проигрывателя также слегка перемещается вверх, вниз и в стороны. Эти дополнительные движения добавляются к полезному сигналу в виде шума, обычно очень низких частот, создавая рокочущий звук во время тихих фрагментов записи. В недорогих проигрывателях часто использовались шариковые подшипники, которые с большой вероятностью генерируют заметный рокот. Более дорогие проигрыватели обычно используют массивные втулочные подшипники, которые гораздо реже создают ощутимый рокот. Увеличение массы проигрывателя также способствует снижению уровня рокота. У качественного проигрывателя уровень рокота должен быть как минимум на 60 дБ ниже заявленного уровня выходного сигнала звукоснимателя. Поскольку в тракте передачи сигнала нет движущихся частей, цифровые системы не подвержены этому виду шума.

Ух ты и флирт

Вау и флаттер – это изменение частоты в аналоговом устройстве, вызванное механическими несовершенствами. Вау – это разновидность флаттера, проявляющаяся в более медленном темпе. Вау и флаттер наиболее заметны на сигналах, содержащих чистые тона. Для LP-пластинок качество проигрывателя оказывает существенное влияние на уровень вау и флаттера. Хороший проигрыватель характеризуется значениями вау и флаттера менее 0,05%, что представляет собой отклонение скорости от среднего значения. На более низких уровнях (-10 дБ) частотный диапазон кассет обычно ограничен 20 кГц из-за самостирания магнитной ленты. Частотная характеристика обычного LP-проигрывателя может составлять от 20 Гц до 20 кГц, ±3 дБ. Низкочастотная характеристика виниловых пластинок ограничена шумом гула (описанным выше), а также физическими и электрическими характеристиками всей тонарма и звукоснимателя. Высокочастотная характеристика винила зависит от картриджа. Пластинки CD4 содержат частоты до 50 кГц. Экспериментально на LP-пластинках вырезались частоты до 122 кГц.

Алиасинг

Цифровые системы требуют удаления всего высокочастотного сигнала выше частоты Найквиста перед дискретизацией, иначе эти ультразвуковые частоты "отклонятся" в слышимый диапазон, вызывая искажение, называемое алиасингом. Алиасинг предотвращается в цифровых системах антиалиасинговым фильтром. Однако разработка аналогового фильтра, который точно удаляет все частотные компоненты строго выше или ниже определенной частоты среза, непрактична. Вместо этого обычно выбирают частоту дискретизации, превышающую требование Найквиста. Это решение называется передискретизацией и позволяет использовать менее сложный и более дешевый антиалиасинговый фильтр. Ранние цифровые системы могли страдать от различных ухудшений сигнала, связанных с использованием аналоговых антиалиасинговых фильтров, например, временной дисперсии, нелинейных искажений, пульсаций и температурной зависимости фильтров. При использовании передискретизации и дельта-сигма модуляции менее сложный аналоговый антиалиасинговый фильтр может быть дополнен цифровым фильтром. Аналоговые системы не ограничены частотой Найквиста или алиасингом и, следовательно, не требуют антиалиасинговых фильтров или связанных с ними конструктивных решений. Вместо этого пределы аналоговых форматов хранения определяются физическими свойствами их конструкции.

Уровень выборки

Аудио в качестве CD дискретизируется с частотой 44 100 Гц (частота Найквиста = 22,05 кГц) и с разрядностью 16 бит. Дискретизация сигнала на более высоких частотах и использование большего количества битов на образец позволяет дополнительно снизить уровень шума и искажений. DAT может дискретизировать аудио с частотой до 48 кГц, в то время как DVD Audio может поддерживать 96 или 192 кГц и разрядность до 24 бит. При любой из этих частот дискретизации информация о сигнале захватывается за пределами обычно воспринимаемого диапазона частот человеческого слуха. Более высокие частоты дискретизации предъявляют менее строгие требования к реализации антиалиасинговых фильтров, что может привести к снижению их сложности и уменьшению искажений сигнала. Исследование, проведенное в 1981 году Мураокой и соавторами, показало, что музыкальные сигналы с частотными компонентами выше 20 кГц были различимы от сигналов без них лишь немногими из 176 испытуемых. Перцептивное исследование Нишигути и соавторов (2004) пришло к выводу, что "не было обнаружено существенной разницы между звуками с очень высокими частотными компонентами и без них среди представленных стимулов и испытуемых, однако [Нишигути и соавторы] по-прежнему не могут ни подтвердить, ни опровергнуть возможность того, что некоторые испытуемые могли различать музыкальные звуки с и без очень высоких частотных компонентов". В слепом прослушивании, проведенном Бобом Кацем в 1996 году и описанном в его книге Mastering Audio: The Art and the Science, испытуемые, использовавшие оборудование для воспроизведения с той же высокой частотой дискретизации, не смогли различить какие-либо слышимые различия между программным материалом, идентично отфильтрованным для удаления частот выше 20 кГц и 40 кГц. Это демонстрирует, что наличие или отсутствие ультразвукового контента не объясняет различия в звучании между разными частотами дискретизации. Он предполагает, что эти различия в основном связаны с характеристиками фильтров ограничения полосы пропускания в преобразователях. Эти результаты позволяют предположить, что основное преимущество использования более высоких частот дискретизации заключается в том, что они выносят фазовые искажения, вносимые фильтрами ограничения полосы, за пределы слышимого диапазона, и что в идеальных условиях более высокие частоты дискретизации могут быть не нужны. Данн (1998) исследовал характеристики цифровых преобразователей, чтобы выяснить, можно ли объяснить эти различия в производительности фильтрами ограничения полосы, используемыми в преобразователях, и выявить артефакты, которые они вносят.

Обработка сигналов

После первоначальной записи звуковой сигнал часто подвергается изменениям, например, с помощью компрессии, эквализации, задержек и реверберации. В аналоговой обработке это достигается с использованием внешнего аппаратного оборудования, а в цифровой – обычно с помощью плагинов в цифровой звуковой рабочей станции (DAW). Сравнение аналоговой и цифровой фильтрации демонстрирует технические преимущества обоих методов. Цифровые фильтры более точные и гибкие. Аналоговые фильтры проще, могут быть более эффективными и не вносят задержку.

Аналоговая аппаратная часть

При изменении сигнала фильтром, выходной сигнал может отличаться по времени от входного, что измеряется как его фазовая характеристика. Все аналоговые эквалайзеры проявляют такое поведение, при этом величина фазового сдвига изменяется по определенной закономерности и концентрируется вокруг регулируемой полосы частот. Хотя этот эффект изменяет сигнал не только за счет изменения частотной характеристики, как такового, он обычно не является заметным или неприятным для слушателей.

Цифровые фильтры

Поскольку переменные, участвующие в расчетах, могут быть точно заданы, цифровые фильтры могут быть объективно лучше аналоговых компонентов. Другие виды обработки, такие как задержка и суммирование, могут выполняться с абсолютной точностью. Цифровые фильтры также более универсальны. Например, эквалайзер с линейной фазой не вносит фазовый сдвиг, зависящий от частоты. Этот фильтр может быть реализован в цифровом виде с помощью фильтра с конечным импульсным откликом, но не имеет практической реализации на аналоговых компонентах. Практическим преимуществом цифровой обработки является удобство сохранения настроек. Параметры плагинов можно хранить на компьютере, в то время как детали настроек аналогового устройства необходимо записывать или иным образом сохранять, если устройство нужно использовать повторно. Это может быть обременительно, когда целые миксы приходится вручную восстанавливать, используя аналоговую консоль и внешнее оборудование. При работе в цифровом формате все параметры можно просто сохранить в файле проекта DAW и мгновенно восстановить. Большинство современных профессиональных DAW также обрабатывают плагины в реальном времени, что означает, что обработка может быть в основном неразрушающей до финального сведения.

Аналоговое моделирование

Сейчас существует множество плагинов, использующих аналоговое моделирование. Некоторые звукорежиссеры одобряют их и считают, что по звучанию они не уступают аналоговым процессам, которые они имитируют. Аналоговое моделирование имеет ряд преимуществ перед своими аналоговыми прототипами, таких как возможность устранения шумов из алгоритмов и внесения изменений для большей гибкости параметров. С другой стороны, другие звукорежиссеры полагают, что моделирование все еще уступает оригинальному аппаратному обеспечению и предпочитают микшировать "вне компьютера" или "с использованием внешнего оборудования".

Субъективная оценка

Субъективная оценка призвана измерить, насколько хорошо аудиокомпонент воспринимается человеческим ухом. Наиболее распространенной формой субъективного тестирования является прослушивание, при котором аудиокомпонент используется в том контексте, для которого он был разработан. Этот метод популярен среди Hi-Fi обозревателей, которые используют компонент в течение определенного времени, а затем описывают его характеристики субъективно. Типичные описания включают в себя оценку того, имеет ли компонент яркое или теплое звучание, или насколько хорошо он передает пространственную звуковую картину. Другой тип субъективного теста проводится в более контролируемых условиях и направлен на минимизацию возможных предубеждений при прослушивании. В таких тестах компонент скрыт от слушателя, и они называются слепыми тестами. Чтобы исключить возможные предубеждения со стороны тестировщика, слепой тест может проводиться таким образом, чтобы и он не знал, какой компонент тестируется. Такой тест называется двойным слепым тестом. Этот метод часто используется для оценки эффективности аудиокомпрессии с потерями. Критики двойных слепых тестов утверждают, что они не позволяют слушателю полностью расслабиться при оценке компонента, что может затруднить выявление различий между разными компонентами по сравнению с обычными (не слепыми) тестами. Сторонники метода двойного слепого тестирования могут попытаться снизить стресс слушателя, предоставив ему время на адаптацию и обучение.

Ранние цифровые записи

Ранние цифровые аудиомашины демонстрировали разочаровывающие результаты, поскольку цифровые преобразователи вносили ошибки, заметные для человеческого уха. В конце 1970-х годов звукозаписывающие компании выпустили свои первые LP, созданные на основе цифровых аудиомастеров. CD стали доступны в начале 1980-х годов. К этому времени аналоговое воспроизведение звука было хорошо развитой технологией. Ранние цифровые записи на CD вызвали неоднозначную критическую реакцию. По сравнению с виниловыми пластинками, было замечено, что CD гораздо более точно передает акустику и фоновый шум помещения, в котором велась запись. Поэтому методы записи, разработанные для аналоговых дисков, например, расстановка микрофонов, потребовали адаптации к новому цифровому формату. Процесс ремастеринга иногда критиковали за некачественное исполнение. Если исходная аналоговая запись была достаточно яркой, ремастеринг иногда приводил к неестественному усилению высоких частот. Это утверждение, по всей видимости, берет начало в статье 1980 года доктора Джона Даймонда. В основе утверждения о том, что записи PCM (единственная доступная в то время технология цифровой записи) вызывали стрессовую реакцию, лежало использование псевдонаучного метода прикладной кинезиологии, например, в презентации доктора Даймонда на 66-й конвенции AES (1980) с тем же названием. Ранее Даймонд использовал аналогичный метод, чтобы продемонстрировать, что рок-музыка (в отличие от классической) вредна для здоровья из-за наличия "остановленного анапестического ритма". Утверждения Даймонда относительно цифрового аудио подхватил Марк Левинсон, который утверждал, что записи PCM вызывали стрессовую реакцию, а записи DSD – нет. Однако, двойной слепой субъективный тест между линейным PCM высокого разрешения (DVD Audio) и DSD не выявил статистически значимых различий. Участники теста отметили, что им было очень трудно различить эти два формата на слух.

Аналоговые предпочтения

Возрождение винилового звука частично связано с несовершенством аналогового звука, которое добавляет "теплоту". Некоторые слушатели предпочитают такой звук звуку с CD. Основатель и редактор журнала The Absolute Sound Гарри Пирсон говорит, что "пластинки определенно более музыкальны. CD лишают музыку души. Эмоциональная вовлеченность исчезает". Продюсер даба Адриан Шервуд испытывает схожие чувства по отношению к аналоговой кассетной ленте, которую он предпочитает из-за ее "более теплого" звучания. Сторонники цифрового формата указывают на результаты слепых тестов, которые демонстрируют высокую производительность, достижимую с помощью цифровых записывающих устройств. Утверждается, что "аналоговый звук" – это скорее результат неточностей аналогового формата, чем что-либо другое. Одним из первых и крупнейших сторонников цифрового аудио был классический дирижер Герберт фон Караян, который утверждал, что цифровая запись "бесспорно превосходит любую другую известную нам форму записи". Он также был пионером неудачной цифровой компакт-кассеты и осуществил первую запись, коммерчески выпущенную на CD: "Eine Alpensinfonie" Рихарда Штрауса. Представление о том, что аналоговый звук неоспоримо превосходит цифровой, было поставлено под сомнение музыкальными аналитиками после разоблачений, показавших, что аудиофильский лейбл Mobile Fidelity Sound Lab тайно использовал файлы Direct Stream Digital для производства виниловых релизов, продаваемых как созданные с аналоговых мастер-лент. Адвокат и аудиофил Рэнди Браун заявил: "Оказывается, эти люди, которые утверждают, что у них 'золотые уши' и они могут слышать разницу между аналогом и цифровым, ошибаются".

Гибридные системы

В то время как термины "аналоговый звук" обычно подразумевают описание звука с помощью непрерывного сигнала, а термины "цифровой звук" – дискретного, существуют методы кодирования звука, занимающие промежуточное положение. Фактически, все аналоговые системы проявляют дискретное (квантованное) поведение в микроскопическом масштабе. Хотя виниловые пластинки и обычные компакт-кассеты являются аналоговыми носителями и используют квазилинейные методы физического кодирования (например, глубину спиральной канавки, напряженность магнитного поля ленты) без заметной квантизации или эффекта наложения спектров, существуют аналоговые нелинейные системы, демонстрирующие эффекты, аналогичные тем, что возникают в цифровых системах, такие как эффект наложения спектров и "жесткий" динамический порог (например, частотно-модулированный hi-fi звук на видеокассетах, сигналы, кодированные ШИМ).