Hi-Fi – в массы!

     Давно ли вы были на (или «в»? Совсем запутали юго-западные соседи…) концерте классической музыки? Предполагается, что любой современный человек хотя бы раз посещал данное мероприятие. Даже если вы сегодня больше налегаете на R’n’B, например, или гранж, то Бранденбургские концерты Баха и ноктюрны Шопена ничуть не оскорбят ваш вкус.

Почему речь идет именно о классике? Причин этому много. Во-первых, она требует достаточно высокого уровня исполнительского мастерства. Это в поп-культуре любой недоучка с финансовой поддержкой может вынести свои полуфабрикаты на суд зрителя, а наемные маркетологи уверят аудиторию в том, что это и есть настоящее искусство. С Листом и Паганини такие фокусы не пройдут! За внешней легкостью Найджела Кеннеди и Давида Фрея -- семьдесят семь потов и многолетний каторжный труд…

Во-вторых, классические инструменты – воплощение акустического совершенства, отточенное столетиями поисков высшей гармонии. Современная исполнительская техника слишком густо замешана на электронике и достижениях нефтехимии, утратив мистическое ощущение полноценного диалога создателя, исполнителя и слушателя.

Сравните акустический комфорт в старинном концертном зале (взять хотя бы зал питерской Капеллы или московский зал имени Чайковского) с агрессивной какофонией на шоу Metallica или Армина ван Бюрена. В одном случае музыка поднимает вас над пищевой цепочкой, а в другом – превращает в агрессивную биомассу. И то: что-то не приходилось слышать о драках на симфонических концертах!

Интересно вот что: исполнение сонат Бетховена ничего не потеряет, если в результате внезапного blackout’а пропадет электричество. А вот на каком-нибудь Open Air Trance Fest перебои с энергией будут означать только одно: «Все, кина не будет». Неудивительно, что слушатель, привыкший к электронной музыке, порожденной и обработанной компьютером на всех этапах, будет разочарован «пресностью» и «плоскостью» живого звука. Все очень просто: спектральные и тембральные параметры таких инструментов, как скрипка, альт, виолончель и рояль, прекрасно укладываются в пресловутый диапазон «20-20000», обеспечивая наиболее комфортное восприятие звука в полосе 1-5 кГц.

Точно так же бывают огорчены неофиты hi-fi-техники, не слыша ни убойного в буквальном смысле баса, ни звенящих до зубной боли высоких, переходящих в ультразвук. Но смысл жизни дорогого ресивера высокого класса точности – в максимально возможной равномерности АЧХ (амплитудно-частотных характеристик) при минимально возможных искажениях. А это задача достаточно сложная и дешевыми средствами не решается.

Огрехи массовых и недорогих усилителей в части равномерности корректируются применением эквалайзеров – специализированных частотных фильтров, меняющих коэффициенты усиления в узких секторах фильтра. Однако, как это было принято у старых картежников, шулеров надо бить канделябрами: к hi-fi (термин происходит от английского High Fidelity – «высокая верность») такой подход не имеет отношения. На практике это означает одно: если вы, сидя спиной к источнику звука, как в популярном телепроекте «Голос», не сможете отличить, когда Гидон Кремер играет Баха вживую, а когда звучит его запись, это и будет желанной идентичностью.

При всех достоинствах «теплого» аналогового звука (и трепетному к нему отношению, переходящему в шизофрению) традиционным звуконосителям – винилу и магнитной записи – присущи принципиальные и неустранимые недостатки. И если с шириной полосы воспроизводимых частот инженеры и производители худо-бедно справлялись, то с динамическим диапазоном дела обстояли гораздо хуже. Например, Девятая симфония Бетховена с ее богатейшими звуковыми нюансами требует разброса в 85-90 дБ. А у магнитной записи разница между самыми тихими и самыми громкими звуками не может быть больше 55-60 дБ: первые будут «тонуть» в собственных шумах ленты, какой бы качественной и дорогой она ни была, а последние «съест» гистерезис – явление насыщения, когда уже никакие изменения сигнала не могут отразиться в изменения намагниченности.

Прибавьте к этому проблемы с деградацией носителя (износ при воспроизведении, невозможность копирования без потери качества, чрезвычайная чувствительность к условиям хранения и т.п.) – и вы получите «железную» необходимость перехода к цифровым технологиям. Правда, побочный эффект такого «лекарства» заключался в нивелировании классов устройств воспроизведения. Точнейшая электромеханика и отборная электроника, призванные донести звук до слушателя с минимально возможными искажениями и стоящие безумных денег, оказалась не у дел подобно механическим часам, сдавшимся под напором дешевых и более точных «кварцев».

Смысл цифровой революции, устроенной инженерами Phillips и Sony, кстати, не замеченными в излишнем пристрастии к философии hi-fi, заключался в квантовании непрерывного аналогового сигнала с достаточной дискретностью (согласно теореме Котельникова-Найквиста о двойной полосе частот). Ключевые параметры записи в ставшей классической импульсно-кодовой форме (pulse-coding mode, PCM): разрядность и частота дискретизации. Первый отвечает за точность отображения амплитуды сигнала (16 бит могут отобразить более 65 тысяч уровней, а при 24-битном кодировании речь идет уже о нескольких миллионах), а второй – за микромасштаб кодирования: чем выше частота дискретизации, тем меньше длительность обрабатываемых звуковых фрагментов. Стандарт CD-audio с частотой дискретизации 44,1 кГц обеспечивает гарантированное воспроизведение полосы «20-20000», но сегодня есть и решения с частотой 96 и 192 кГц, теоретически передающие сигналы в далеком ультразвуке (на самом деле картина сложнее и далеко не так однозначна, но об этом чуть позже).

Главное и неоспоримое преимущество цифрового кодирования – принципиальное отсутствие переходных искажений разного рода. А их в традиционной аналоговой записи так много, что даже краткое описание только основных аналоговых «косяков» займет добрую половину журнала. Возьмем, например, простейшую вещь -- разделение стереосигналов. В цифровой записи левый и правый каналы записываются совершенно независимо и друг на друга никак не влияют. А вот на граммофонной пластинке они записаны на стенках звуковой дорожки и воспроизводятся одной иглой (какой – дешевой корундовой сферической или дорогой алмазной эллиптической – значения не имеет). Игла одна, а каналов как минимум два (квадрафоническая 4-канальная грамзапись так и не вышла из стадии престижных диковинок), и снизить взаимопроникновение сигналов до приемлемых 55-60 дБ без дополнительных фокусов невозможно. Похожая картина сложилась и в магнитной звукозаписи: как ни «разноси» дорожки левого и правого каналов, физическое размещение на едином носителе рано или поздно скажется в виде взаимного подмагничивания.

В цифровой записи с независимым кодированием каналов, число которых неограниченно (страшно представить, каким чудовищем должен быть аналоговый магнитофон вполне бытового сегодня стандарта 5.1!), этих проблем нет по определению. А обилие и мощь программных способов обработки дает возможность имитации любых искажений, в том числе и «теплых ламповых», так высоко ценимых приверженцами ретро.

Однако не стоит считать цифровое аудио «Леди совершенством» без единого изъяна. Серьезной проблемой остается неопределенность фазы выходного сигнала, значительно затрудняющая построение реалистичной пространственной картины, и паразитная амплитудная модуляция, проявляющаяся в виде низкочастотного «давления» шумов (как это ни парадоксально, но «винил» этих недостатков лишен). Поэтому при обзорах цифровых устройств воспроизведения эксперты и меломаны особое внимание уделяют уверенной и однозначной локализации источников звука.

Проблему неопределенности фазы можно победить, повысив частоты дискретизации (о стандарте 192 кГц мы уже упоминали, а между тем есть проекты с частотами в 1,5-2 МГц). Паразитная модуляция – «орешек» несравненно более крепкий, к тому же зависящий от массы сторонних параметров, в частности, от характера самого музыкального материала. А он, в подавляющем своем большинстве, представляет собой отнюдь не «чистую» синусоиду, а сложнейшую суперпозицию сигналов, с которой можно реально работать только с применением спектральных методов.

Теоретически возможно создать «интеллектуальный» преобразователь, расщепляющий сигнал на сравнительно простые спектральные компоненты, каждая из которых обсчитывается по заданным алгоритмам, обеспечивая, еще и подавление паразитной модуляции. Однако вряд ли такое устройство станет массовым в силу своей.. дороговизны и ограниченности рынка: далеко не всем нужен high-end, требующий сбалансированности всех трактов воспроизведения, среди которых цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, по-английски digital analogue converter – DAC) исключительно важное, но далеко не единственное, звено.

Внутренняя «механика» ЦАП достаточно сложна, теории и практике обработки сигналов в цифровых устройствах посвящены целые библиотеки, а сами они в общем виде называются цифровыми сигнальными процессорами (DSP – от английского digital signal processor). Но базовая функция ЦАП элементарна: получая на входе информацию в виде «0110001», устройство на выходе выдает переменный аналоговый сигнал в виде тока, напряжения или заряда. Например, получая на входе «0001», ЦАП сделает из него напряжение 0,3125 В, «0010» — 0,6250 В и т.д.

Первыми ЦАП были мультибитные токовые преобразователи, построенные на базе резисторных матриц с калиброванными сопротивлениями, при этом порядок матриц соответствует (или превышает) числу разрядов сигнала, а его обработка происходит параллельно. Основная проблема построения таких ЦАП – необходимость обеспечить идентичность большого числа резисторов в пределах 0,01% (задача сама по себе непростая) и полностью исключить влияние температуры.

До тех пор, пока проигрыватели компакт-дисков оставались экзотикой, можно было возиться с калибровкой резисторов и подбором термостабильных материалов. Этим, кстати, и можно объяснить легендарную «певучесть» аудиофильских ЦАП серий PCM 170x фирмы Burr Brown или TDA 1541 от Philips.

Когда пришла пора массовых серий CD-техники, производители задумались об удешевлении ЦАП. Решение напрашивалось само собой: сигнал надо обрабатывать не по всем разрядам одновременно, а друг за другом. Естественно, для такого устройства не нужны десятки калиброванных резисторов, да и к вопросам обеспечения термостабильности можно было подойти гораздо экономней. Так и появился «однобитник» -- не слишком «музыкальный», шумный, но очень дешевый ЦАП. Кстати, он знаком многим читателям по гордой наклейке «MASH», красовавшейся на музыкальных центрах Panasonic, весьма популярных в конце прошлого века.

Со временем стало ясно, что 1-битные ЦАП, соответствующие уровню недорогой массовой техники, не претендующей на высокую верность воспроизведения, нуждаются в модернизации. Ее результатом стали цифро-аналоговые преобразователи типа «дельта-сигма» (ΣΔ DAC), ставшие самыми массовыми в силу дешевизны и неплохих характеристик. «Дельта-сигмы» сегодня – генеральная линия производства многих компаний, среди которых лидирующие позиции занимают Texas Instruments (TI, поглотивший упоминавшийся ранее Burr-Brown), Wolfson Micro, Cirrus Logic, Analog Devices и Asahi Kasei Microsystems.

Главное отличие «дельта-сигм» от 1-битников – в характере построения выходного сигнала (во всем остальном это такие же последовательные преобразователи). Они строят амплитуду выходного сигнала не от нулевого уровня, а из разницы с предыдущим значением (потому и «дельта»). Такой подход значительно снижает погрешность моделирования, особенно в динамичном музыкальном материале, и быстро завоевал популярность, в том числе и в компьютерной технике. Достаточно сказать, что подавляющее большинство встроенных звуковых процессоров на материнских платах представляет собой программный вариант (кодек) «дельта-сигмы», в том числе и широко известный Intel AC-97.

В наиболее дорогих ЦАП применен гибридный метод. Они совмещают достоинства резисторных «мультибитников» и современных «дельта-сигм». Например, «икона» аудиофилов 24-битный ЦАП Burr Brown PCM 1794 16 бит обрабатывает как «дельта-сигма», а 8 «верхних», отвечающих за высокочастотную часть спектра, пускает в параллельную резисторную матрицу.

Ясно, что «железный» ЦАП, отдельная микросхема со специализированной обвязкой – штука дорогая, да и, по большому счету, не слишком востребованная широкими массами. Поэтому в большинстве звуковых устройств производители ставят программные ЦАП (кодеки). Среди них – и пафосный iPod, реально представляющий собой банальный софтовый медиа-плейер, но стоящий ненамного дешевле, чем модели от HiFiMAN или Astell&Kern (премиум-брэнд от известного производителя iRiver) с настоящими ЦАП на борту. Так что если вам нужна Музыка со всеми нюансами, ищите ЦАП!