Основы «цифры»

В каждом из продающихся на сегодня мультимедийных устройств, будь то CD-плеер, диктофон, или плеер на флэш-памяти, используется множество самых различных видов представления потоков данных, которые преобразуются затем в звук. А уж форматов звука, используемых в профессиональных целях, придумано и того больше. Неискушенный покупатель вынужден черпать информацию об обозначениях на коробках и устройствах из самых разных источников, зачастую получая неверные сведения или запутываясь еще больше.

Практически каждое устройство из раздела «Портативное Аудио» каталога ZOOM.CNews.ru поддерживает сразу несколько форматов звука, а многие устройства, не относящиеся к этой категории, также снабжены надписями о поддержке воспроизведения звуковых файлов. Для того чтобы помочь нашему читателю, мы решили создать небольшой глоссарий сокращений и рассказать о наиболее распространенных форматах. Мы планируем сделать его открытым для пополнения и поправок, добавляя новые форматы и более подробно описывая преимущества и недостатки уже распространенных или забытых.

Немного теории

Для начала следует напомнить, что цифровой звук – это не более чем набор цифр. Определяющим фактором является система, с помощью которой звук как давление воздуха был преобразован в потоки данных и закодирован для последующей обработки и воспроизведения. Соответственно, цифровой звук обычно заключен в компьютерных файлах с различным расширением, по которому чаще всего (но не всегда) и можно определить его формат. А само понятие формата может иметь, как это ни парадоксально, два смысла. Во-первых, формат может существовать как всеобъемлющая характеристика, включающая в себя и тип, и физические характеристики носителя (диска или кассеты), способа записи, принципов кодирования и защиты от ошибок. Во-вторых, под форматом можно понимать только сам способ кодирования и сжатия звука, так как для переноса используются стандартные средства, например, компьютер.

Аналоговый звук, в отличие от цифрового, воспроизводится в аналоговых устройствах и имеет ряд существенных отличий. Не являясь потоком данных, аналоговый звук представляется непрерывным электрическим сигналом, отображающим изменение звуковой волны. Для перевода его в цифровой формат звук «оцифровывается», то есть разбивается на определенные отрезки, в которых фиксируется числовое значение амплитуды в данный момент. Мы не будем углубляться в принципы создания цифрового звука, однако совершенно необходимо отметить, что чем чаще происходит разбиение отрезка звука и описание его характеристик, тем яснее и полнее создается картина собственно звука.

Такой процесс порождает огромный поток данных, описывающих звук, и очевидно, что каждый формат цифрового звука является не больше чем компромиссом между необходимостью представить звук как можно более качественным и ограничениями объема памяти компьютера или устройства воспроизведения.

Еще немного теории. Человеческое ухо воспринимает в большинстве случаев звук с частотой не выше 22000 Гц, и для того чтобы его полностью описать в цифровом виде, требуется частота дискретизации не менее 44,1 кГц. Так как абсолютно точно определить значение сигнала в определенный момент времени невозможно, то при оцифровке происходит квантование, то есть замена реальных значений сигнала приближенными. Чем больше уровней квантования звука, тем точнее описывается уровень сигнала. В итоге каждый стандартный компакт-диск несет на себе звуковой сигнал с частотой дискретизации в те самые 44,1 кГц и уровнем квантования в 16 бит, а в некоторых устройствах производится дискретизация с частотой 48 кГц.

Достоинства цифрового звука

А теперь вкратце о том, для чего данный алгоритм был разработан. Цифровой звук имеет перед аналоговым огромные преимущества, хотя нельзя забывать и об определенных его недостатках. Основной ценностью цифрового звука является возможность бесконечно долгого хранения и бесконечного тиражирования материала без потери исходного качества, тогда как у аналогового звука качество теряется при каждой записи-перезаписи. Кроме того, облегчаются передача звука и его обработка современными цифровыми средствами, в первую очередь, специализированными компьютерами. Также, цифровой сигнал в линиях передачи более устойчив к помехам, чем аналоговый. Немаловажно также и то, что цифровая техника, в отличие от аналоговой, позволяет добиваться идентичности параметров систем при их массовом производстве и сохраняет эту идентичность при эксплуатации, в то время как характеристики аналоговых изделий обычно разняться на разных экземплярах и ухудшаются со временем.

Исторически цифровой звук был, безусловно, инициативой инженеров компаний, принявших на вооружение разработанные фирмой Philips диски Audio-CD, которые также называются CDDA - Compact Disk Digital Audio. В итоге цифровой носитель звука привел к массовому переходу в студиях звукозаписи на цифровые DAT-магнитофоны и цифровую монтажную аппаратуру с интерфейсами S/PDIF и другими. А потом цифровой звук начал все глубже продвигаться в нашу жизнь с CD-плееров и, передаваясь по S/PDIF, преобразовываться в цифровых коммутаторах, эквалайзерах и системах шумопонижения. На сегодня этот ряд заканчивается цифровыми звуковыми процессорами объемного звука Dolby Digital.

Кому это нужно

Качество звука CDDA устраивает большинство конечных пользователей, то есть слушателей, однако критическим фактором является объем данных, который требуется для представления звука в таком виде. В результате появляются различные сжатые форматы цифрового звука, одним из которых стал старенький MS ADPCM, и в ряду которых находятся вполне приемлемые Sony ATRAC, PASC или Fraunhoffer MP3. Каждый из методов кодирования имеет важнейшую характеристику - скорость битового потока (bitrate), с которой сжатая информация поступает в декодер при восстановлении звукового сигнала.

Например, при разговоре по сотовому телефону звук ваших голосов подвергается цифровому преобразованию и сжатию, из-за чего и ухудшаются его характеристики. Речь сжимается по различным алгоритмам в сотни раз, сохраняя при этом основные характеристики.

Перейдем к конкретным форматам звуковых файлов и форматам сжатия звука. Наиболее распространенным на сегодняшний день форматом, безусловно, является МР3. Однако исторически сложилось так, что для понимания развития форматов звука необходимо начать с другого вида файлов – с расширением .WAV.
© Денис Борушевский