Trochę danych technicznych o nowych (i starych) formatach zapisu dźwięku

Nowe, zaawansowane formaty zapisu muzyki - DVD Audio i SACD - zapewniają poprawę jakości dźwięku dającą się wychwycić na dobrej klasy sprzęcie audio.

Oczywiście samo zapisanie dźwięku w nowym formacie niekoniecznie musi poprawić jakość dźwięku - istotny jest przecież materiał źródłowy. Niestety, stare nagrania są zapisane tak jak są - czyli najczęściej w znacznie gorszej jakości niż to ma miejsce w przypadku współczesnych rejestracji o wysokiej jakości. Dlatego nie zawsze materiał dźwiękowy na płycie DVD audio, czy SACD będzie lepszy niż na tradycyjnej płycie kompaktowej. Jednak współcześnie realizowane nagrania wyraźnie zyskują jeśli są zapisane w opisywanych formatach audiofiliskich (i oczywiście jeżeli są odtwarzane na dobrym audiofilskim sprzęcie - z wysokiej klasy wzmacniaczem, głośnikami, okablowaniem).

Poniżej opisano pokrótce wspomniane formaty, zaczynając od najstarszego - czyli tradycyjnego CD audio (zwykła płyta kompaktowa).

Stare dobre CD-Audio polega na zapisywaniu dźwięku z 16 bitową głębokością i częstotliwością próbkowania 44,1 kHz. Oznacza to, że kształt sygnału akustycznego jest co jedną 44100 sekundy zapisywany w formie liczby (tzw. PCM). Z 16 bitów tej liczby, jeden bit musi być przeznaczony na znak (plus czy minus), dlatego wysokość sygnału w tym zapisie waha się od wartości 0 do plus minus 2¹⁵ = 32768. Stąd wynika, że dynamika (odstęp pomiędzy najcichszym i najgłośniejszym zapisanym sygnałem) wynosi tu około 90 dB (bo 20· log 32768 = 90,3). Oczywiście na ogólną dynamikę nakłada się dodatkowo dynamika wzmacniacza, kolumn itd., więc powyższe liczby są "teoretyczne". Wg kryterium Nyquist'a CD Audio powinno zapisywać sygnały do 22 kHz. Jednak z powodów opisanych wyżej, należy tę granicę traktować dość ostrożnie - wiele zależy od jakości nagrania, sporo od sprzętu, a idealnego zapisu dźwięków o wyższych częstotliwościach raczej nie należy się spodziewać.

Audiofilskie formaty zapisu muzyki

DVD Audio to format podobny do znanego nam z CD (też PCM), tylko znacznie dokładniejszy (stary sposób zapisu CD jest też dostępny jako jedna z opcji) - zapisuje jednak stan sygnału nawet do prawie 5 razy gęściej (najwyższa częstotliwość próbkowania wynosi tu 192 kHz) i do tego ze znacznie większą, bo 24 bitową precyzją.
Format ten to właściwie nie jeden sposób zapisku dźwięku, lecz ich zbiór, z którego twórcy mogą wybrać jedną z opcji:
    głębokość bitowa: 12, 16, 20 lub 24
    częstotliwość próbkowania 44,1 kHz, 88.2 kHz, 176.4 kHz, 48 KHz, 96kHz, 192 kHz
    ilość kanałów głośnikowych - do 6 (dwa przednie, dwa tylnie, przedni środkowy i subwoofer).
Ponieważ różne opcje bitowe i próbkowania można układać wielu kombinacjach, to otrzymujemy całą gamę sposobów zapisu różniących się jakością i efektami przestrzennymi (ale nie w dowolnych, bo niemożliwe jest np. 6 kanałowe zapisanie dźwięku 192 kHz z racji na ograniczenia pasma przesyłowego).
Efektem końcowym poprawy sposobu zapisu jest znacznie lepsza jakość - dostrzegana szczególnie w przypadku słuchania jazzu i muzyki klasycznej. W opcji najbardziej audiofilskiej DVD Audio zapisuje dźwięk próbkowany z częstotliwością 192 kHz w dwóch kanałach (tylko klasyczne stereo) z głębokością 24 bitów. Dla mniejszych częstotliwości próbkowania (np. 96 kHz) dostępna jest większa liczba kanałów, można też zrezygnować z zapisu 24 bitowego na korzyść 16 lub 20 bitów. Przy dźwięku pięciokanałowym, zapisanym w 96 KHz, nieskompresowane dane nie zmieściłyby się w paśmie założonym dla standardu DVD (a poza tym zajęłyby zbyt dużo miejsca na płycie) - w tych przypadkach stosuje się kompresję (także kompresję stratną).
Standard DVD-Audio wspierają takie m.in. firmy jak: Panasonic - Technics, JVC, Pioneer, Onkyo, Yamahę, LG (a ostatnio nawet Marantz, pierwotnie promującego wyłącznie konkurencyjny SACD).

SACD (Super Audio CD) nie operuje takimi parametrami jak częstotliwość próbkowania, czy głębokość bitowa, ponieważ opiera się na zupełnie innej zasadzie zapisu. Z grubsza polega ona na tym, że procesor, pracując z dużą częstotliwością wynoszącą 2 822 400 Hz zapisuje muzykę 1 - bitowo (a nie w 16 bitach, jak to jest dla zwykłego CD, czy nawet w 24 bitach - w przypadku DVD Audio). Zaletą powyższego standardu jest także możliwość tworzenia płyty hybrydowych - nadających się do odtwarzania w standardowych odtwarzaczach CD oraz, ze znacznie wyższą jakością, w urządzeniach nowego standardu.
Nowsze odmiany płyt SACD oferują dźwięk wielokanałowy, choć pierwotna audiofilska wersja obsługiwała wyłącznie tradycyjne stereo.
SACD jest wspierany przez firmy Philips i Sony wraz z Aiwa (Aiwa została we wrześniu 2002 wchłonięta przez Sony), Marantza, Pioneera (który produkuje odtwarzacze do wszystkiego - DVDaudio & video, i SACD).

Grupa formatów kompresowalnych

Sposobem na lepsze wykorzystanie pamięci i pasma przesyłowego dla danych jest kompresja (czyli komputerowe spakowanie danych). Do zapisu muzyki stosuje się ją ostatnio coraz częściej. Większość aktualnie stosowanych metod kompresji, to tzw. kompresja stratna, czyli zapisywanie dźwięku w wersji nieco zubożonej w stosunku do oryginału, jednak pozwalającej na zapis 5 - 40 (uwzględniając najczęściej używane opcje) razy bardziej "oszczędny".. Oczywiście chodzi o to, aby w wyniku kompresji usuwać z muzyki tylko te informacje, których i tak byśmy nie usłyszeli (albo "prawie" nie usłyszeli). Można tak zrobić, ponieważ ludzkie ucho i tak wielu elementów dźwięku nie zarejestruje - bo np. głośne tony maskują ciche, bardzo ciche fragmenty mogą być w ogóle nie słyszalne itp. W formatach tych dodatkowo stosuje się różne metody kompresji bezstratnej.
Do stratnych formatów zapisu dźwięku należą: mp3, a ostatnio MP3PRO (wprowadzone przez Instytut Fraunhoffera), ATRAC (wspierane przez SONY w minidyskach i w muzyce sprzedawanej przez tę firmę w Internecie), WMA (Windows Media - to oczywiście standard Microsoftu), "wolny" standard o nazwie OGG Vorbis. Firma Apple promuje z kolei własny standard kompresji o nazwie AAC (Advanced Audio Coding), który doczekał się wsparcia części studiów filmowych. Powszechnie używanym jest także standard AC3 (Dolby Digital), który zapewnia zapis dźwięku wielkonałowego (także mono i zwykłe stereo) i jest stosowany do zapisu audio sygnału telewizyjnego. Nieco zapomnianym formatem tego rodzaju jest np. VQF (wspierany w swoim czasie przez Yamahę).

Jakość spakowanej muzyki w ww. formatach jest dla przeciętnego słuchacza równa tej zapisanej na płytach CD. Wyjątkiem są pliki silnie skompresowane oraz bardzo wymagająca muzyka w rodzaju: wyrafinowany jazz z dużą ilością instrumentów perkusyjnych i muzyka symfoniczna. Zazwyczaj dobrze brzmi w tych formatach muzyka popowa i rockowa (ten mniej zaawansowany rock) oraz techno.
Ogólnie o formatach tych powiedzieć można, że jeśli stosuje się słabą kompresję (co objawia się niestety wzrostem objętości pliku), to można uzyskać bardzo dobre brzmienie muzyki tak zapisanej, choć jak do tej pory nie słyszałem o w pełni audiofilskim formacie tego typu (być może kandydatem byłby tu WMA PRO obsługujący częstotliwość próbkowania 96 kHz i próbkujący 24 bitowo).

Pytanie - audiofilska muzyka z kompresją?

Autor niniejszego artykułu jest nieco zdziwiony brakiem na rynku formatu stosującego kompresję, a jednocześni wyraźnie promującego się jako audiofilski. Większość twórców algorytmów kompresujących kieruje się w stronę osiągnięcia maksymalnego upakowania danych, kosztem jakości. Dlatego algorytmy te są zazwyczaj optymalizowane dla osiągania silnych kompresji, a nie jakości dźwięku. Tymczasem dość naturalne wydaje się tu stworzenie formatu bardziej kierującego się na jakość dźwięku. W końcu przy dzisiejszej wiedzy na ten temat, kompresja 256 kbps powinna umożliwić zapisanie dźwięku 24 bity /192 kHz w bardzo dobrej jakości (a na pewno znacznie lepszej niż to co oferuje płyta CD). Niestety, jako do tej pory, żaden ze znanych formatów nie reklamuje się jako "nowocześnie - audiofilski" (choć możliwości takie ma np. WMA Pro). Specyfikacje skupiają się na kompresowaniu muzyki 44,1. kHz / 16 bitów. Co prawda opisana przeze mnie kompresja jest stosowana zarówno w formacie DVD, jaki i WMA, ale nie jest promowana jako audiofilskie źródło sygnału. Wg mnie - szkoda, jako że taki format dobrze sprawdziłby się np. do nagrywania dźwięku wysokiej jakości przez mikrofon.

Porównanie formatów i dodatkowe informacje na temat standardów kompresji i znajdują się w oddzielnej tabeli.