Super Audio CD

Робота з оптичними дисками
Типи оптичних дисків
Формати
Технології захисту

Super Audio CD (SACD) - неперезапісиваемий оптичний аудіодиск, що дозволяє зберігати аудіодані зі значно більш високою якістю, в порівнянні із звичайним CDDA -диском. Розроблено компаніями Sony та Philips в 1999.


1. Особливості SACD-дисків

Запис на SACD-диску може містити від 1 до 6 звукових каналів.

Для відтворення SACD потрібен спеціальний програвач, сумісний з цим форматом. Однак на SACD-диску може міститися додатковий CD-шар (тільки стерео) для сумісності зі звичайними програвачами, такі диски називаються гібридними ( англ. Hybrid SACD ) І їх можна слухати на будь-яких звичайних програвачах компакт-дисків. Приблизно половина випущених SACD-дисків є гібридними.

Тривалість звучання Super Audio CD може досягати 109 хвилин за умови, що він містить дві SACD-зони з різними параметрами запису (наприклад, 2.0 та 5.1). При використанні тільки однієї SACD-зони тривалість звучання перевищує 2 години.

Ємність диска SACD збільшилася в 6 разів за рахунок зменшення довжини хвилі випромінювання лазера і збільшення апертури об'єктива. Завдяки цьому діаметр зчитує плями світла зменшився до 1 мкм. Це, в свою чергу, дозволило зменшити розміри пітів, інтервалів між ними і крок доріжки.

Для дисків SACD в якості матеріалу відображають шарів використовується золото (на відміну від CD-DA, де використовується алюміній; хоча зустрічаються і "золоті" CD, найчастіше для подарункових і колекційних видань - за свого "багатого" зовнішнього вигляду).


1.1. Порівняння з іншими форматами

CD DVD-Audio SACD
Формат 16 біт PCM 16 -, 20 -, 24 біт PCM 1 біт DSD
Частота дискретизації 44,1 кГц 44,1-192 кГц 2,8224 МГц
Динамічний діапазон 96 dB 144 дБ (теоретично) 120 dB
Частотний діапазон 20-20 000 Гц до 96 кГц 20-50 000 Гц
Ємність диска 700 МБ 4,7-8,5 ГБ 4,7-8,5 ГБ
Час звучання 80 хв. > 180/109 хв.
Стерео Так Так Так
Surround Sound Немає 5.1 (крім 192 кГц) 5.1

CD-Audio використовує для дискретизації аналогового звуку частоту 44,1 кГц. У SACD частота в 64 рази більша - 2,8224 МГц. CD використовує 16 біт для кожного семпла, так що потік інформації тут складе 16 44100 Гц на канал або 705 600 біт / с на канал. DSD використовує 1 біт на відлік, так що потік інформації складе 2822400 біт / с на канал. Це в 4 рази більше, ніж у CD.

Формат DVD-Audio (розрядність - 24 біт, частота дискретизації - 192 кГц), передає сигнал з точністю 24 біт, що забезпечує кодування амплітуди сигналу з високою точністю аж до частоти Найквіста, рівної 96 кГц, при цьому цей формат запису використовує той же PCM-кодування, що й CD-Audio.


2. Опис формату

Гібридний SACD містить шар даних високої щільності з потоком DSD і стандартний шар CD

2.1. Особливості кодування

При запису SACD-дисків використовується одне бітний цифровий формат запису Direct Stream Digital ( DSD), що забезпечує високу якість звучання, у порівнянні зі звичайним CD, завдяки більш високій частоті семплування (до 2,8224 МГц).

Однобітний формат запису - це пряма запис однобітний вихідного сигналу з АЦП типу дельта-сигма, причому цей сигнал має чудові характеристики: динамічний діапазон більше 120 дБ, частотна характеристика від 0 до 100 кГц. При такому поєднанні частотної характеристики та динамічного діапазону формат DSD не має суперників серед інших записуючих систем, цифрових або аналогових.

Запис безпосередньо такого однобітний сигналу є альтернативою існуючим форматам майстер-записи. Подібна запис усуває необхідність процесів децимації та інтерполяції для аналогового вводу / виводу. При цьому спрощується структура (блок-схема) записуючої системи, оскільки зникають паралельні інформаційні зв'язки багаторозрядних цифрових слів та необхідність їх синхронізації.

Як і в звичайних PCM-системах, аналоговий сигнал спочатку конвертується в цифровий за допомогою дельта-сигма модуляції при частоті дискретизації в 64 рази більшою, ніж номінальна частота дискретизації. Але DSD записує однорозрядні імпульси безпосередньо, тоді як звичайні системи потім перетворять однорозрядних сигнал в багаторозрядних PCM-код. В результаті DSD дає цифрове однорозрядних уявлення аудіосигналу. Позитивна зміна амплітуди буде представлено всіма "1". Негативне - всіма "0". Нульова точка буде представлена ​​зміною двійкового числа. Оскільки значення амплітуди аналогового сигналу в кожний момент представлено у вигляді щільності імпульсів, цей метод іноді називають Pulse Density Modulation (PDM).

Отриманий таким чином потік імпульсів має примітні властивості. Як і PCM, DSD за своєю природою стійкий до спотворень, шуму і детонації записуючої апаратури і передавальних каналів. Але, на відміну від PCM, DSD, як принцип перетворення, набагато ближче до аналогової передачі сигналу. Цифро-аналогове перетворення може бути легко отримано за допомогою аналогового низькочастотного фільтру.

Потік дельта-сигма імпульсів є досить "галасливим". Надвисоке відношення сигнал / шум, якого вимагає DSD в звуковому діапазоні, досягається за допомогою шумозаглушуючі фільтрів п'ятого порядку, що ефективно зрушує шуми вгору по частоті за межі звукового діапазону.


2.2. Шумоустойчівость

Дійсно, хоча підвищення розрядності і частоти дискретизації PCM-систем реально поліпшували якість звуку, ці поліпшення ставали все менш значними. Очевидна і причина цього - фільтрація. У PCM-системі на вході необхідні фільтри з дуже крутий характеристикою, щоб придушити частоти, рівні половині частоти вибірки або перевищують її. При частоті вибірки 44,1 кГц фільтри типу "цегляна стіна" повинні пропускати частоту 20 кГц і при цьому відсікати частоту 22,05 кГц - завдання не найлегша. Крім того, при записі і відтворенні незмінно додаються шуми квантування. До того ж семплірованіє на частоті Найквіста призводить до значного зсуву між фазовою та частотною характеристиками фільтрів у верхній чверті частотного діапазону. У однобітний системі, навпаки, фазова характеристика у верхній частині звукового спектру не піддана впливу фільтра типу "цегляна стіна". Цей аспект особливо важливий, коли система цифрової обробки є частиною петлі зворотного зв'язку, тому що в цьому випадку зсув фази менше, а стабільність системи і достовірність звучання вище.

Іншою особливістю цього формату є його поведінка в умовах можливої ​​перевантаження. Однорозрядні кодери високого порядку повинні мати можливість управління перевантаженням, щоб не постраждала стабільність. Це забезпечується за допомогою вибору відповідної передавальної характеристики. Однорозрядних формат не дає, на відміну від багаторозрядного, ефектів aliasing і clipping при перевантаженнях.


2.3. Стійкість до помилок

Оскільки будь біт одноразрядного формату несе одне і те ж кількість інформації, ефект кожної помилки не залежить від того, який біт є помилковим. У цьому однорозрядних формат вигідно відрізняється від багаторозрядного кодування, в якому помилка в старшому значущому бите (MSB) позначається в 2 ^ L (L - довжина слова) більше, ніж помилка у молодшому значущому бите (LSB). Для 20-бітної системи запису це означає, що помилка в MSB позначиться приблизно в 1 млн разів більше, ніж в LSB.

Системи випереджальної корекції помилок (такі, як використовуються в форматі CD) виходять із припущення, що всі біти мають однаковий інформаційний вагу, тому вони однаково захищають кожен біт. Для аудіосигналу це не підходить, тому страждає ефективність таких систем - молодші значущі біти отримують надлишкову захист, а старші значущі біти не отримують достатнього захисту. Більш того, ефект від помилок не є пропорційним, оскільки залежить від того, в якому біті сталася помилка. Це призводить до швидкої деградації сигналу при перевищенні певного рівня щільності помилок.

Фактично, максимальний ефект від кожної окремої помилки - це функція частоти надлишкової дискретизації. ефект від помилки обернено пропорційний коефіцієнту надлишкової дискретизації. Наприклад, якщо коефіцієнт 64, помилка, яку вносить одним бітом, буде приблизно 1/64 максимального рівня, тобто її рівень на 36 дБ менше максимального рівня сигналу на виході.


3. Цікаві факти

  • Перші дві версії PlayStation 3 (до 2007.10) повноцінно відтворюють SACD.
  • DSD-диск - оптичний диск (DVD-R, DVD + R, DVD-RW або DVD + RW), що містить файли DSD з розширенням DSF, який може програватися на комп'ютері або іншому обладнанні, що підтримує відтворення цих файлів. Містить аудіофайли високого дозволу з частотою дискретизації 2822,4 кГц. Якість аудіозапису на DSD-диску таке ж, як на SACD, з тією відмінністю, що на першому не може бути записаний багатоканальний сигнал. Фірмою Sony розроблена специфікація під назвою DSD Disc Format, якою користуються деякі звукозаписні фірми для випуску DSD-дисків. Цей формат є відкритим, і за наявності спеціального ПО такий диск може бути підготовлений в побутових умовах і містити файли DSD, отримані, наприклад, через Інтернет. [1]

Література

  • І. А. Алдошина, Е. І. Вологодін, А. П. Єфімов та ін Електроакустика та звукове мовлення: навчальний посібник для вузів. - М.: Гаряча лінія-Телеком, Радіо і зв'язок, 2007. - 872 с.