Физический и психоакустический анализ цифрового звука с высоким разрешением

Ирина Алдошина

«Суть вопроса заключается в следующем: «Зачем постоянно увеличивать частоту дискретизации в современных системах аудиокоммуникаций (тратя на это огромные средства), если пороги слуховой системы ограничены по частоте диапазоном 20 Гц…20 кГц?»

Попытки ответить на этот вопрос предпринимались многократно, однако однозначного ответа до сих пор нет.

В. Войчик является профессором Университета McGill в Канаде (крупнейшего мирового центра исследований в области психоакустики) и председателем технического комитета AES, поэтому в его распоряжении имеются практически все основные результаты работ, позволяющие в той или иной степени ответить на этот вопрос.

Анализ этих результатов, а также другие соображения, содержащиеся в литературе, и будут представлены в данной статье.

На протяжении почти столетней истории развития технологий звукозаписи главной их целью было нахождение методов сохранения и воспроизведения исполняемой музыки со всеми тончайшими акустическими деталями и максимальной точностью, необходимой для ее восприятия. Термин «натуральность» (который является главной целью создания аппаратуры Hi-Fi) символизирует множество присущих звукозаписи характеристик, которые обеспечивают полное ощущение погружения в музыку с учетом окружающей среды, то есть акустики зала. Такие записи должны обеспечивать восприятие детального взаимодействия между инструментами и исполнителями и реализм в ощущении времени и пространства, то есть чувство нахождения в том акустическом пространстве, где исполняется музыка. Современные цифровые записи с высоким разрешением (высокой частотой дискретизации и большой разрядностью квантования) и стремятся обеспечить слушателей возможностью восприятия большого динамического диапазона, точностью передачи быстрых изменений звука во времени и по другим показателям, то есть точностью передачи деталей пространственно-временно-спектральной структуры музыки.

Чтобы оценить сложность этой задачи, достаточно представить себе, какие процессы происходят в концертном зале или студии при исполнении оркестром какого-либо музыкального произведения, когда инструменты из различных мест сцены вступают во взаимодействие с акустическими свойствами помещения, находясь при этом во взаимодействии друг с другом. Способность слуховой системы услышать каждый инструмент на его реальном месте, оценить перспективу и влияние помещения с учетом быстрого изменения всех этих взаимодействий во времени зависит, прежде всего, от уникальных возможностей слухового аппарата. Однако при передаче всей пространственной картины ее восприятие зависит и от разрешающей способности записывающих, передающих и воспроизводящих систем. <…>

В многочисленных докладах на конгрессах AES и в дискуссиях на заседаниях технического комитета «Аудио с высокой разрешающей способностью» высказывались мнения, что дальнейший прогресс в улучшении «прозрачности» и создании «ощущения присутствия» в системах звукозаписи может быть достигнут за счет увеличения разрешающей способности цифровых систем, то есть увеличения частоты дискретизации, и, следовательно, расширения частотного диапазона передаваемого звука за пределы 20 кГц.

Анализ накопленных знаний по данной проблеме позволяет сказать, что этого недостаточно. Учитывая сложность звукового сигнала и свойства слуховой системы, можно утверждать, что только повышение разрешающей способности передающих систем во всех областях (временной, спектральной, пространственной и динамической) может помочь в решении данной проблемы. По крайней мере, уже сейчас кажется очевидным, что высокая разрешающая способность во временной области является наиболее важной для обеспечения прозрачности звучания.

Рис. 1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой

Как известно, для превращения аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой (дискретный) необходимо выполнить следующие операции: дискретизацию, квантование и кодирование (рисунок 1). Для их выполнения во всех цифровых устройствах (компьютерах, магнитофонах, проигрывателях и пр.) используется аналого-цифровой преобразователь АЦП (ADC), структурная схема которого показана на рисунке 2. В соответствии с теоремой Котельникова (Найквиста) или «теоремой семплирования», для преобразования аналогового сигнала с верхней частотой fв (Гц) в цифровой без потери информации необходимо, чтобы частота дискретизации, т. е. число отсчетов (семплов в секунду) было не меньше, чем 2 х fв (Гц). Используемое цифровое слово, число двоичных цифр в котором равно числу выбранных M (бит), представляет мгновенное значение входного сигнала, при этом сигнал квантуется на 2M уровней.

Таким образом, теорема семплирования требует, чтобы частота дискретизации была выбрана достаточно высокой fd > 2fв, при этом сигнал должен оставаться почти постоянным в момент семплирования. Обязательность использования низкочастотного фильтра, который стоит во всех АЦП, не оговаривается, но для предотвращения по