Введение

Система цифрового кодирования аудиосигналов. Direct Stream Digital (DSD) — это товарный знак, используемый компаниями Sony и Philips для обозначения их системы цифрового кодирования аудиосигналов, применяемой в Super Audio CD (SACD). DSD использует дельта-сигма модуляцию, форму импульсно-плотностной модуляции, представляющую собой метод преобразования аудиосигналов в цифровой формат в виде последовательности однобитовых значений с частотой дискретизации 2,8224 МГц. Это в 64 раза превышает частоту дискретизации CD-аудио (44,1 кГц), но использует 1-битные выборки вместо 16-битных. Формирование шума в 64-кратно передискретизированном сигнале обеспечивает низкий уровень квантования шума и низкие искажения в слышимом диапазоне, необходимые для высококачественного звука. DSD — это, по сути, формат для хранения дельта-сигма сигнала без применения процесса децимации, который преобразует сигнал в PCM.

Формат сигнала DSD

DSD отличается от формата PCM, используемого компакт-дисками или типичными компьютерными аудиосистемами: в то время как PCM использует многобитное значение (представляющее широкий диапазон амплитуд) при низкой частоте дискретизации, DSD вместо этого использует однобитное значение (представляющее увеличение или уменьшение амплитуды) при частоте дискретизации, значительно превышающей полосу пропускания сигнала. Процесс создания сигнала DSD аналогичен работе модулятора и формирователя шума в 1-битном дельта-сигма аналого-цифровом преобразователе (АЦП), без последующего дециматора (который обычно преобразует 1-битный битовый поток в многобитный PCM). Кратковременное среднее значение 1-битного битового потока DSD пропорционально амплитуде исходного сигнала. Благодаря более высокой частоте дискретизации, SACD-плеер может использовать 1-битный ЦАП с аналоговым фильтром низкого порядка для восстановления и формирования аналогового выходного сигнала. DSD использует методы формирования шума для подавления шума квантования в неслышимые ультразвуковые частоты. Благодаря этому, односкоростной DSD64 может обеспечить динамический диапазон 120 дБ в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц и расширенный частотный отклик до 100 кГц (большинство современных SACD-плееров указывают верхний предел от 80 до 90 кГц). Различные форматы DSD используют частоты дискретизации в диапазоне мегагерц (МГц), как правило, с коэффициентом передискретизации, являющимся степенью двойки относительно частоты 44,1 кГц, используемой для CD-аудио: +NameAbbreviationSample rateOversampling ratio относительно 44,1 кГцNotesSingle rate DSDDSD642.8224 MHz64xФормат, используемый для SACD-носителей. Double rate DSDDSD1285.6448 MHz128xС момента своего появления создатели контента сделали доступными записи DSD128, например, от аудиофильского лейбла Opus3. Quad rate DSDDSD25611.2896 MHz256xOctuple rate DSDDSD51222.5792 MHz512xSexdecuple rate DSDDSD102445.1584 MHz1024x

См. для анализа эффективного количества битов, которое можно достичь с помощью передискретизации, особенно при использовании модулятора более высокого порядка.

Микширование и мастеринг DSD

Микширование и мастеринг музыки в формате DSD для SACD или загрузки из Интернета сопряжены с трудностями из-за сложности выполнения операций цифровой обработки сигналов (DSP), таких как эквализация, балансировка и панорамирование, в однобитной среде. Более ранние аналоговые записи обрабатывались с использованием аналогового оборудования, а затем оцифровывались в DSD. Также можно избежать обработки, используя только доступные регулировки в студийном оборудовании непосредственно во время записи в DSD. Один из доступных методов DSP заключается в преобразовании DSD в PCM и использовании стандартного PCM-оборудования, такого как Pro Tools, что особенно полезно для рока и современной музыки, основанных на многодорожечных методах, с последующим цифровым преобразованием обратно в формат DSD. Некоторые сторонники DSD критикуют этот метод, утверждая, что преобразование в PCM с более низкой частотой дискретизации снижает качество звука DSD. Для обработки DSD в PCM был разработан формат и набор инструментов под названием Digital eXtreme Definition (DXD). Это PCM-формат с 24-битной разрядностью и частотой дискретизации 352,8 кГц. Другой метод DSP использует формат, обычно называемый DSD wide, который сохраняет высокую частоту дискретизации стандартного DSD, но использует 8-битные сэмплы с шумоподавлением. DSD wide иногда пренебрежительно называют PCM narrow. Он позволяет сделать операции DSP практическими, сохраняя частоту дискретизации 2,8224 МГц. Обработанный сигнал DSD wide преобразуется в конечный 1-битный продукт DSD с той же частотой дискретизации. Также возможна обработка DSD wide при более высоких кратных частотах дискретизации DSD. Pyramix и некоторые цифровые аудио рабочие станции (DAW) SADiE могут работать в режиме DSD wide.

Инструменты обработки DSD

DXD был первоначально разработан для рабочей станции Merging Technologies Pyramix и представлен вместе с их AD/DA-конвертером Sphynx 2 в 2004 году. Эта комбинация позволяла записывать и редактировать непосредственно в DXD, при этом преобразование в DSD происходило только один раз перед публикацией. Это дает пользователю преимущество, так как шум, возникающий при преобразовании DSD, резко возрастает выше 20 кГц, и с каждым последующим преобразованием сигнала обратно в DSD во время редактирования добавляется еще больше шума. Рабочая станция Pyramix Virtual Studio Digital Audio позволяет записывать, редактировать и мастерить все форматы DSD до DSD256. Установлен вариант 48 кГц для частоты 12,288 МГц. DAC exaSound e20 стал первым коммерчески доступным устройством, способным воспроизводить DSD256 при частоте дискретизации 11,2896 или 12,288 МГц. AD/DA-конвертер Horus от Merging Technologies поддерживает частоту дискретизации до 11,2 МГц, что в четыре раза превышает частоту SACD. DSD128, 5,6448 МГц, в два раза превышающая частоту SACD, поддерживается множеством аппаратных устройств, таких как ЦАП exaSound e20 Mk II, однобитный цифровой рекордер Korg MR 1000, адаптер вывода DSD Amanero Combo384 и снятый с производства USB-I²S интерфейс exaU2I. Программное обеспечение, поддерживающее DSD, включает в себя Amarra Luxe от Sonic Studio, Audirvana, foobar2000 с плагином SACD, JRiver Media Center, Roon, HQPlayer и Neutron Music Player, все из которых способны полностью нативно обрабатывать DSD-файлы до скорости DSD512.

Варианты воспроизведения DSD

Sony разработала DSD для Super Audio CD, и многие дисковые проигрыватели поддерживают Super Audio CD. Поскольку формат цифровой, существуют и другие способы воспроизведения потока DSD; развитие этих альтернативных методов позволило компаниям предлагать высококачественные музыкальные загрузки в формате DSD.

Формат диска DSD

Некоторые профессиональные аудиорекордеры (от Korg, Tascam и других) могут записывать в формате DSD. Передача этого сигнала на записываемый DVD-диск с использованием соответствующих инструментов, таких как программное обеспечение AudioGate, поставляемое с рекордером Korg MR 2000S, позволяет создать DSD-диск. Такие диски можно воспроизводить в нативном формате DSD только на определенных ноутбуках Sony VAIO и игровых консолях PlayStation 3. Sony выпустила два SACD-плеера, SCD-XA5400ES и SCD-XE800, которые полностью поддерживают формат DSD-дисков. В июне 2012 года компания Pioneer представила серию SACD-плееров, совместимых с DSD-дисками: PD-30 и PD-50. В январе 2013 года компания TEAC анонсировала проигрыватель, совместимый с DSD-дисками, – PD-501HR.

DSD через USB

Альтернативой записи файлов DSD на диски для последующего воспроизведения является передача (незашифрованных) файлов с компьютера на аудиоаппаратуру по цифровому каналу, такому как USB. Спецификация USB Audio 2.0 определила несколько форматов для более распространенного подхода к цифровому аудио на основе PCM, но не определила формат для DSD. В 2012 году представители многих компаний и другие разработчики создали стандарт для представления и обнаружения аудио DSD внутри PCM-фреймов; этот стандарт, обычно известный как DSD over PCM (DoP), подходит и для других цифровых каналов, использующих PCM. В версии 1.1 добавлена поддержка протокола для более высоких частот дискретизации DSD без необходимости увеличения базовой частоты дискретизации PCM.

Коренная DSD

Определение нативной (прямой) воспроизведения DSD в некоторой степени является философским вопросом. В общем случае, оно подразумевает отсутствие преобразования DSD-данных в многобитный PCM на любом этапе воспроизведения. Многие коммерчески доступные ЦАП теперь поддерживают нативное DSD.

DSD против PCM

Между сторонниками DSD и PCM велось множество споров о том, какая система кодирования превосходит другую. В 2000 году Липшиц и Вандеркуй заявили, что однобитные преобразователи, используемые в DSD, не подходят для высококлассных приложений из-за высокого уровня искажений. В 2002 году Philips опубликовала статью, опровергающую это утверждение. Статья Липшица и Вандеркуя подверглась дальнейшей критике со стороны Ангуса. Липшиц и Вандеркуй ответили на эту критику. Стюарт также назвал сигма-дельта модуляцию «совершенно неподходящим выбором» для цифрового аудио высокого разрешения. Традиционная реализация DSD имеет присущие ей высокие искажения. Искажения можно в некоторой степени уменьшить, используя многобитные ЦАП. Современные АЦП основаны на схемах сигма-дельта модуляции. Преобразователи с передискретизацией обычно используются в линейных форматах PCM, где выходной сигнал АЦП или ЦАП подвергается ограничению полосы пропускания и добавлению шума для маскировки квантования (дитерингу). Большинство современных АЦП и ЦАП используют передискретизацию и многобитовую архитектуру; другими словами, хотя DSD является однобитным форматом, современные преобразователи внутренне используют форматы от 2 до 6 бит. Сравнения записей DSD и PCM с одинаковым источником, количеством каналов и схожей полосой пропускания и уровнем шума дали противоречивые результаты. Исследование, проведенное в 2004 году в Институте Эриха Тиенхауза в Детмольде (Германия), показало, что в ходе двойного слепого теста «едва ли кто-либо из испытуемых смог последовательно различить две системы кодирования». В отличие от этого, исследование 2014 года, проведенное в Токийском университете искусств, показало, что слушатели могли различить PCM (192 кГц/24 бита) от DSD (2,8 МГц) или DSD (5,6 МГц) (но не между двумя частотами дискретизации DSD), предпочитая звучание DSD звуку PCM: «Например, стимул «барабаны» в DSD (5,6 МГц) имеет p = 0,001 при сравнении с PCM (192 кГц/24 бита) по общему предпочтению. Это говорит о том, что версия DSD была статистически значимо предпочтительнее версии PCM». Однако эти результаты вызывают сомнения, поскольку «обе формы подвергались различной обработке, в частности, разной фильтрации низкочастотного контента». DSD не получил широкого распространения на потребительском рынке, хотя SACD оказался более успешным, чем его прямой конкурент, DVD-Audio на основе PCM. Прямая обработка записанных данных DSD затруднена из-за ограниченной доступности соответствующего программного обеспечения. Появление новых стандартов PCM высокого разрешения, таких как DXD, еще больше сузило его рыночную нишу.

Форматы файлов DSD

Существует несколько альтернативных способов хранения DSD-кодированного аудио в виде файлов на компьютере. Один из вариантов — использовать собственные (native) DSD-файловые форматы, разработанные специально для этой цели. В качестве альтернативы, DSD можно хранить в универсальных аудиоформатах, которые официально адаптированы для поддержки хранения DSD. Наконец, DSD-аудио можно встраивать в PCM-аудиопотоки, не имеющие специальной поддержки DSD. Однако для последующего извлечения DSD-потока потребуется специальный декодер.

Формат файла DSD Interchange

DSD Interchange File Format (DSDIFF) – это нативный формат файлов DSD, разработанный компанией Philips в период с 2000 по 2004 год для хранения DSD-записей. Формат поддерживает DST-сжатие полезных данных, а также аннотации, используемые при производстве Super Audio CD. Один файл DSDIFF может хранить целый альбом в виде единого аудиопотока вместе с маркерами, указывающими места разделения на отдельные треки. Некоторые фрагменты аудиоконтента могут быть полностью исключены из финального SACD. Встроенный формат метаданных предназначен для звукорежиссеров, а не для конечных пользователей. Например, маркеры, обозначающие начало нового аудиофрагмента, содержат текстовое поле для хранения произвольной текстовой информации. Однако не требуется, чтобы этот текст содержал название трека. Со временем сложился стандарт де-факто для включения метаданных ID3 в неофициальный блок ID3, поскольку пользователи стали использовать этот формат для хранения отдельных треков DSD-аудио. Файлы, содержащие данные DSDIFF, обычно имеют расширение dff. Официальный тип медиафайла для формата DSDIFF не зарегистрирован. Freedesktop.org использует неофициальные типы медиа audio/x-dff.

Широкополосные однобитные данные

Wideband Single bit Data (WSD) — это нативный формат файлов DSD, разработанный консорциумом 1 bit Audio Consortium в 2002 году. Сам консорциум был основан Университетом Васеда, компаниями Sharp и Pioneer за год до этого. В 2012 году консорциум опубликовал обновлённую версию 1.1 спецификации. Заголовок WSD содержит поле для хранения абсолютной временной метки в отсчётах с полуночи. Эта метка времени позволяет точно определить, сколько времени прошло между двумя последовательными записями, сделанными на одном и том же физическом записывающем устройстве. Портативные рекордеры Korg MR 1, MR 2, MR 1000 и MR 2000s поддерживают WSD, наряду с другими форматами на основе DSD.

Файл потока DSD

DSD Stream File (DSF) — это нативный формат файлов DSD, разработанный компанией Sony примерно в 2005 году. Формат предназначен для хранения отдельных треков DSD-аудио и обеспечивает встроенную поддержку включения метаданных ID3. Формат определяет поле "ID формата", которое, предположительно, может быть использовано для указания сжатия DST. Однако единственным идентификатором, определенным в спецификации, является число 0, обозначающее "сырой DSD" (DSD raw). Файлы, содержащие данные DSF, обычно имеют расширение .dsf. Официальный тип медиафайла для формата DSF не зарегистрирован. Формат также поддерживает сжатое DSD-аудио. Поддержка DSD была впервые реализована в версии 5 программного пакета WavPack, выпущенной в декабре 2016 года. Файлы, содержащие данные WavPack, обычно имеют расширение .wv. Официальный тип медиафайла для формата WavPack также не зарегистрирован. DoP позволяет обходить любые компоненты, работающие только с PCM, и обеспечивает возможность получения DSD-совместимым ЦАП необработанных данных DSD, необходимых для нативного воспроизведения DSD. Хотя DoP предназначен для использования в качестве протокола передачи данных между музыкальным плеером и ЦАП, существуют инструменты, которые могут встраивать DSD, закодированный с помощью DoP, в файлы FLAC, позволяя пользователям воспроизводить DSD с помощью ЦАП, поддерживающего DoP, даже при использовании плеера, не поддерживающего DSD. Поток DoP разработан таким образом, чтобы при воспроизведении на ЦАП, работающем только с PCM, он звучал как тихий шум, в то время как ЦАП, поддерживающий DoP, обнаружит наличие данных DSD, извлечет их из PCM и воспроизведет как DSD.