Принципы цифрового звука

В предыдущих выпусках журнала я немного рассказал о компьютерных звуковых картах и программном обеспечении для работы со звуковым и музыкальным материалом. Однако это было рассчитано на читателей, так или иначе знакомых с цифровым звуком вообще и его компьютерным приложением в частности; у большинства потенциальных пользователей этих технологий возникли, скорее всего, закономерные вопросы вроде: "Частота дискретизации 44 кГц - это много или мало?", "Чем компьютерный WT-синтезатор отличается от обычного клавишного?", "Можно ли компьютерной картой заменить профессиональную студию?" и т.п. Поэтому сейчас я решил сделать "шаг назад" и поговорить о принципах и свойствах цифрового звука и об использовании его в компьютерных системах.

Прежде всего, сам принцип представления звука в цифровой форме предполагает уничтожение какой-то части информации в нем. Исходная, непрерывная кривая, описывающая амплитуду звуковой волны, подвергается дискретизации - разбиению на отдельные интервалы (отсчеты), внутри которых амплитуда считается постоянной; таким образом фиксируются временные характеристики волны. Затем эти мгновенные значения амплитуды еще раз разбиваются на конечное число значений - теперь уже по самой величине амплитуды - и выбирается наиболее близкое из этих дискретных значений; так фиксируются амплитудные характеристики. Если говорить по отношению к графику (осциллограмме) звуковой волны, то можно сказать, что на него накладывается некая сетка - крупная или мелкая, которая определяет точность преобразования волны в цифровую форму.

Мелкость временной сетки - частота дискретизации - определяет прежде всего частотный диапазон преобразуемого звука. В идеальных условиях для передачи сигнала с верхней частотой F достаточно частоты дискретизации 2F, в реальных же приходится выбирать некоторый запас. Точность же представления самих значений амплитуды - разрядность отсчетов - определяет в первую очередь уровень шумов и искажений, вносимых при преобразовании. Естественно - снова для идеального случая, поскольку шумы и искажения вносятся и другими участками схемы.

В начале 80-х, когда разрабатывалась система "компакт-диск", ориентированная для бытового применения, по результатам экспертных оценок была выбрана частота дискретизации 44.1 кГц и разрядность отсчета 16 бит (65536 фиксированных уровней амплитуды). Этих параметров достаточно для точной передачи сигналов с частотой до 22 кГц, в которые вносится дополнительный шум на уровне примерно -96 дБ. На уровне бытовой аппаратуры конца 70-х эти параметры выглядели довольно заманчиво - тем более, что акустических систем, способных более-менее точно передать звук с такими параметрами, тогда практически не существовало. В студийной работе использовалась та же разрядность отсчета при частоте дискретизации 48 кГц, что в то время считалось вполне достаточным.

За прошедшее время ситуация сильно изменилась - значительно возросло качество передачи звука в студийных и бытовых системах, снова вошли в моду ламповые усилители и схемы, когда-то признанные неэффективными, но вносящие в звук меньше искажений, чем новые, и многие стали жаловаться на характерный "цифровой" призвук в музыке на компакт-дисках, причиной которого явилась недостаточные разрядность отсчетов и прежде всего - частота дискретизации. Дело в том, что при оцифровке сигнала с частотой дискретизации F необходимо полностью удалить все его составляющие с частотами выше F/2. Обычные аналоговые проигрыватели и усилители, для которых гарантировалась передача диапазона до 20 кГц, на самом деле не вырезали из сигнала более высоких частотных составляющих - их амплитуда просто постепенно спадала, и у качественных аппаратов этот спад был более пологим, а звук - более естественным и прозрачным. Однако при глубоком подавлении высших частот - даже тех, что неслышимы сами по себе - общая звуковая картина меняется достаточно заметно для хорошей аппаратуры и тренированного слуха.

Таким образом, весьма высокие еще для начала 90-х параметры цифрового звука "16 бит/44.1 кГц" сейчас могут считаться лишь минимально допустимыми для понятий "качественный звук" и "Hi-Fi". В студийной работе происходит переход на стандарт "24 бита/96 кГц", который по теоретически достижимому качеству пока заметно перекрывает возможности существующих звуковых систем. Внутри стандарта "компакт-диск", ограниченного своими 16 разрядами и 44.1 кГц частоты дискретизации, используется преобразование цифрового звука под большую частоту дискретизации и разрядность с последующей интерполяцией промежуточных значений. Само по себе это не улучшает качества звука, однако позволяет заметно снизить погрешности, возникающие из-за неидеальности ЦАП, фильтров и прочих элементов тракта.

В обычной же компьютерной звуковой карте уже при простых записи-воспроизведении трудно достичь даже качества хорошего проигрывателя компакт-дисков, не говоря уже о том, чтобы полностью "вычерпать" потенциальные характеристики внедряемых сейчас более высоких частот и разрядностей. Происходит это потому, что компьютерная карта во многом является зависимым устройством, получая питание от источника компьютера и находясь под влиянием разнообразных помех и наводок от прочих компьютерных компонент. Подавляющее большинство карт имеют совмещенные на одном кристалле ЦАП и АЦП, что снижает их помехозащищенность. Более "грамотное" проектирование звуковой карты - введение корректирующих и помехоподавляющих цепей, стабилизации питания, вынос чувствительных компонент за пределы компьютера - сразу же резко увеличивает ее стоимость, что снижает объемы продаж и еще более поднимает продажную цену, которая уже начинает приближаться к цене младших моделей студийных аппаратов. Покупка "фирменных" компьютеров со сниженным уровнем помех также плачевно сказывается на общей выгоде.

Примерно такая же картина складывается с параметрами компьютерных WT-синтезаторов: к недостаткам собственно в качестве звука добавляется ограниченность тех или иных возможностей, которые в автономных профессиональных аппаратах представлены более полно. Нередко богатые аппаратные возможности синтезатора не поддерживаются должным образом его программным обеспечением, а для пользователя-музыканта это равнозначно их отсутствию. Чрезвычайно скудна документация, часто не освещающая до конца всех возможностей - особенно в сравнении с пухлыми томами описаний профессиональных инструментов.

Таким образом, возникает парадокс: главное преимущество компьютерных карт - их сравнительно низкая стоимость по отношению к возможностям - с лихвой компенсируется явно недостаточными по сегодняшним меркам качеством звука, аппаратных возможностей по его обработке, уровнем программного обеспечения. К тому же многие серьезные производители - Roland, Ensoniq, Yamaha - вполне умышленно ограничивают качество и возможности выпускаемых ими компьютерных карт по сравнению с самостоятельными изделиями. Поэтому у пользователей - прежде всего музыкантов - возникает справедливый вопрос: оправдывает ли себя идея использования компьютера, или же в ней больше от рекламных трюков на популярном нынче направлении?

Ответ прост: в современном процессе работы со звуком и музыкой без компьютера не обойтись - кроме известных направлений чисто акустической музыки, исполняемой "живьем". Другое дело - нужно правильно определить место компьютера в этом процессе. Было бы неверно полагать, что можно полностью заменить профессиональную студию с кучей серьезной и дорогой аппаратуры и звукоинженеров одним недорогим бытовым компьютером с недорогой же звуковой картой. Однако с их помощью можно начать делать то, что традиционно делалось только в "серьезных" студийных условиях - у себя дома или в небольшой любительской студии. Можно изучить и освоить возможности синтезатора, эффект-процессора, приемы воздействия на звук для получения желаемой его динамики и окраски, научиться записывать, создавать и использовать собственные звучания, подготавливать и сводить фонограммы. Для любителя и даже профессионала, не требующего сверхвысокого качества звука, даже этого может оказаться вполне достаточно, а остальные довольно скоро почувствуют ограниченность простой конфигурации - и весьма легко смогут заменить ее на более сложную и качественную, причем чаще всего - с гораздо меньшими потерями, чем при работе только с самостоятельными аппаратами. Вначале это может быть замена на более серьезную и качественную звуковую карту, затем - на автономные устройства с компьютерным управлением. Важно то, что при помощи компьютера нужным с программным обеспечением можно "выжать досуха" практически любой аппарат, для управления которым с его собственной панели просто-напросто не хватает рук.

Кроме этого, многие профессиональные музыканты пользуются компьютерными картами для создания так называемых "домашних заготовок" - как и многие писатели, архитекторы или модельеры. В условиях дороговизны аренды студийного времени нередко оказывается более выгодным спокойно подготовить дома "черновик", не обращая особого внимания на несоответствие уровня шумов, прозрачность звука и натуральности имитации традиционных инструментов студийным канонам, а затем уже принести его в студию, где опытные специалисты быстро подберут аналогичные режимы работы "серьезной" аппаратуры, которая исполнит то же самое с "настоящим студийным качеством". Такой подход позволяет наиболее оптимально организовать разделение труда, оставив музыканту работу собственно над музыкой, а звукоинженеру - над ее сведением и записью.

Мне часто приходится консультировать музыкантов и звукорежиссеров - как любителей, так и профессионалов - в вопросах применения компьютеров в их работе. И нередко приходится сталкиваться и с непонятным желанием получить все "в одном флаконе", соединив принципиально несовместимые требования, и с разочарованием от того, что не получится, купив недорогой компьютер, сразу же приступить к выпуску у себя дома компакт-дисков мирового класса. Однако мне еще не приходилось видеть человека, который, хотя бы наполовину разобравшись в звуковых возможностях компьютера, после этого смог бы отказаться от его использования. В этом и состоит правильный подход: не заменить одним инструментом все остальные, а применить его там, где ему самое место - только в этом случае достигается наибольший эффект от вложения и средств, и усилий, и времени.