Как ЦАПают звук

Вадим Воронин & audiotest team

Спецвыпуск Xakep, номер #044, стр. 044-004-1

(voronin@audiotest.ru)

Основы теории цифровой звукозаписи

Попытайся вспомнить, когда ты последний раз покупал аудиозаписи на компакт-кассетах, катушках или грампластинках. Наверняка, давненько. Подавляющее большинство звукозаписей распространяются на CD и DVD-носителях уже лет семь-восемь. Многим уже кажется, что так было всегда.

Почему произошел этот переворот? Почему звук "перешел на цифру"? Главная причина в том, что CD и DVD-диски надежнее аналоговых носителей информации: их не нужно перематывать, диск никогда не "зажует" лентопротяжным механизмом, его невозможно размагнитить и прочее. Кроме того, сами цифровые записи не теряют в качестве при многократном копировании. И хотя на практике некоторая потеря качества есть (из-за ошибок, возникающих при чтении/записи), они все равно не идут ни в какое сравнение с тем падением качества, которое происходит при многократном копировании аналогового сигнала.

Благодаря этим плюсам цифровые записи смогли потеснить аналоговые не только в фонотеках меломанов, но и в студиях. Однажды оцифровав материал, звукорежиссер может, не теряя в качестве, редактировать его сколько угодно, что невозможно при работе с аналоговым звуком. Цифровой сигнал, в отличие от аналогового, можно многократно "перегонять" с одного устройства на другое и при этом не бояться потерять его качество (аналоговый сигнал теряет в качестве при прохождении каждого метра провода).

В общем, лепота и благодать. Однако есть одно "но". Штука в том, что при этих преимуществах цифровой сигнал принципиально менее качественный, чем аналоговый. Дело в его структуре.

Что есть цифра

"Цифра" отсутствует в природе как таковая. Нельзя сказать, что природа носит аналоговый характер, но, во всяком случае, аналоговый сигнал, описывающий процесс, гораздо ближе к природе, чем цифровой. Термин "аналоговый" уходит корнями в область радиотехники, где под аналоговым сигналом подразумевается сигнал, порожденный физическим процессом, который можно описать непрерывной функцией.

Цифровой же сигнал - это конечная совокупность импульсов, при помощи которых мы описываем тот или иной процесс (поэтому цифровой сигнал иногда называют просто дискретным). Для того чтобы стало понятнее, проведу аналогию. Сравним аналоговый и цифровой сигналы с действительными и натуральными числами. Квадратный корень из двух - действительное число, его значение выражается бесконечной последовательностью десятичных цифр (1,414213...). Это значение максимально точно, но записать его нельзя. С натуральными числами дела обстоят гораздо проще: именно их мы используем, когда требуется сосчитать количество пальцев на руке, ступенек на лестнице или дискретно закодировать сигнал.

Чтобы прояснить все окончательно, обратимся к графику, на котором по оси абсцисс отложим t, а по оси ординат - U, получив таким образом график зависимости напряжения от времени. На этом графике x1, y1 и x2, y2 координаты выборок (дискретных импульсов), при помощи которых мы будем описывать функцию f(x).

Совокупность этих отдельных точек, точнее, их координат, и будет цифровым представлением аналогового, непрерывного сигнала, который отражает наш график. И здесь обрати внимание на одни грабли. Если x1, y1 и x2, y2 - натуральные числа, то записать их не составит труда. А если хоть одна из переменных будет иметь значение действительного числа, его просто нельзя будет записать, только в упрощенном виде.