Прогресс радиоэлектроники, о котором мы сегодня слышим на каждом шагу, массовый потребитель часто оценивает не по газетным заметкам или журнальным статьям, а по конкретным новшествам в так называемой бытовой аппаратуре. Не всегда легко, а бывает, просто не хочется разбираться в технических подробностях даже в популярном изложении, другое дело — конечный результат, то, что можно «пощупать» самому: четкость телевизионной картинки, сочность красок, размер экрана, естественность звучания приемника, проигрывателя, магнитофона. И все же, получив в пользование очередной электронный шедевр, иногда полезно поинтересоваться, какой же ценой он был создан, чем заплатили инженеры за улучшение тех или иных потребительских параметров. А плата эта, нужно сказать, бывает очень высокой, и один из примеров — цифровая звукозапись.
Качество звучания оценивают целым рядом точных количественных характеристик, три из них, наиболее, пожалуй, важные, сейчас будут названы с предельно краткими и упрощенными пояснениями.
Полоса воспроизводимых частот
Человек слышит звуки в диапазоне, или, как часто говорят специалисты, в полосе частот, примерно от 20 Гц (герц) до 20 000 Гц (20 кГц). И если мы хотим услышать из громкоговорителя звук во всем его частотном богатстве, услышать естественное звучание оркестра или лесных голосов, то нужно провести этот звук (точнее, его электрическую копию) от микрофона до громкоговорителя без каких-либо частотных искажений. То есть на огромном пути, пролегающем, например, через усилители, грампластинку, устройства звукозаписи и считывания, нужно сохранить изначальное соотношение между всеми частотными компонентами сложнейшего звукового аккорда, между составляющими звука во всей полосе от 20 Гц до 20 кГц. Задача непростая, если решать ее в полном объеме, аппаратура получится сложной, дорогой. Поэтому в аппаратах средней и невысокой стоимости воспроизводят более узкую полосу частот, скажем, 20 Гц — 12 кГц или 200 Гц — 6 кГц, и мирятся с тем, что звучание получается не отличным, а хорошим или даже всего лишь удовлетворительным.
Коэффициент нелинейных искажений
Первопричина искажений — нелинейные процессы, некоторое нарушение прямой, линейной зависимости между сигналом на входе и на выходе какого-либо элемента, например, транзистора. В результате на выходе всей системы, то есть в громкоговорителе, появляются компоненты звука, которых не было на входе, слышатся посторонние призвуки, похрипывания. Сам коэффициент нелинейных искажений показывает, какой процент их мощность составляет от мощности полезного, неискаженного сигнала. Считается, что нелинейные искажения в 2…3 процента незаметны на слух, но все же в высококлассной аппаратуре стараются, и не без оснований, сделать их менее одного процента.
Уровень собственных шумов
Игла звукоснимателя начинает двигаться по пластинке, делает первый оборот, мелодия еще не началась, а пластинка уже звучит, точнее, шипит — это игла слегка подрагивает на мельчайших неровностях стенок звуковой канавки. Аналогичный шум слышен и в магнитофоне, в частности, из-за неоднородностей магнитного слоя на ленте. Шумят ламповые и транзисторные усилители из-за ничтожных флюктуации тока, неравномерности движения зарядов. По той же причине в какой-то мере шумят все элементы электронных схем, даже обычные проводники.
Шумы — вещь неприятная, и не только потому, что слышны в паузах. Шумы забивают слабый сигнал, приходится искусственно поднимать его уровень и при этом жертвовать реальным динамическим диапазоном — соотношением самого громкого «форте» и самого тихого «пиано». По сути дела, шумы — это частный вид нелинейных искажений, но для их оценки есть отдельная характеристика, она показывает, во сколько раз мощность шумов меньше, чем мощность среднего чистого сигнала. Правда, вместо «во сколько раз» принято указывать «на сколько децибелов», в хорошей аппаратуре уровень собственных шумов обычно — 60 дБ (шумы по мощности меньше сигнала в 1 000 000 раз), в средней аппаратуре — 40 дБ (в 10 000 раз).
Звук есть не что иное, как меняющееся во времени давление, электрическая копия звука — точно так же меняющийся во времени ток. Это «точно так же», эта похожесть, аналогичность дали имя электрическому сигналу, повторяющему, копирующему своего предшественника, в данном случае звук, — его называют аналоговым сигналом. Можно представить оба процесса — звук и его аналог ток — в виде сложных кривых на графике и отметить: все виды искажений приводят к изменению самого аналогового сигнала, к изменению формы кривой.
Много томов понадобилось бы, чтобы рассказать о том, как искали и находили способы борьбы с искажениями сигнала. В этой борьбе было одержано много побед — на заре радиотехники слушатель радовался, если в хрипах и шумах удавалось разобрать слова, произнесенные диктором, а сегодня громкоговоритель с высокой верностью воспроизводит тембровое богатство певческих голосов и многоголосье большого оркестра. И все же инженеры решились па еще одно трудное сражение и одержали еще одну победу — создали цифровые системы передачи, записи и высококачественного воспроизведения звука. Сначала появилась цифровая грампластинка, затем начались разработки цифровых систем радиовещания, а сейчас японские фирмы уже предлагают потребителю цифровые магнитофоны, пытаясь взять реванш за цифровую грамзапись, где бесспорно европейское лидерство.
Сама идея и принципы всех цифровых систем звуковоспроизведения примерно одинаковы — в самом начале пути аналоговый сигнал превращают с «цифру», в цифровой сигнал, в серии импульсов-пауз. Именно они и проходят весь дальнейший путь, почти до самого финиша — «цифру» записывают на пластинку, на магнитную ленту, ее передают по радио, считывают, принимают из эфира, а в заключение вновь превращают в аналоговый сигнал, который и направляют в громкоговоритель. Начальную и конечную операции выполняют уже ставшие классикой электронные схемы — аналогово-цифровой преобразователь АЦП и цифро-аналоговый преобразователь ЦАП (см. «Наука и жизнь» №10, 1986 г.). Первый из них, АЦП, через очень короткие интервалы времени — обычно 30…50 тысяч раз в секунду — измеряет уровень аналогового сигнала и каждое его значение шифрует, кодирует определенным двоичным числом, отображая единицу импульсом, а ноль паузой. Так, например, если аналоговый сигнал имел значения в вольтах 0,1 — 0,2 — 0,3 — 0,4 — 0,2.., то возможно такое его превращение в «цифру» — 0001 — 0010 — 0011 — 0100 — 0010. Здесь для цифрового кодирования выбраны четырехразрядные двоичные числа, всего их может быть 24 = 16, то есть аналоговый сигнал такими четырехзначными числами можно отображать, выделяя в нем 16 уровней, 16 ступенек. Это, конечно, грубое отображение сложного сигнала, и в реальных цифровых системах для кодирования пользуются значительно большими, например, двадцатиразрядными двоичными числами. Они позволяют зашифровать 220 = 1 048 576, то есть больше миллиона разных уровней аналогового сигнала, и таким образом описать его очень точно, мельчайшими ступеньками.
Теперь два слова о том, зачем все это нужно. Цифровой сигнал, так же как и аналоговый, подвержен искажениям — и частотным, и нелинейным, и шумовым наслоениям. Но для цифрового сигнала они не страшны, исказить цифровой сигнал — это значит совсем убрать какой-нибудь импульс или ввести импульс там, где была пауза. Такие катастрофические искажения можно предотвратить, а более мелкие, меняющие форму импульса или нарушающие чистоту паузы, нетрудно устранить. Для этого есть тоже уже классический электронный блок — регенератор цифрового сигнала. Из него выходят неискаженные, такие же, как были в самом начале, «новенькие» последовательности импульсов-пауз, из них после ЦАП получается практически неискаженный аналоговый сиг-пал, а значит, в итоге и неискаженный звук. Достаточно сказать, что в системах цифровой грамзаписи уровень шумов составляет — 80 дБ, то есть они по мощности в 100 миллионов раз слабее основного сигнала и реально вообще не слышны. Слушатели иногда даже жалуются на неестественную, мертвую тишину, в которой звучит музыка с цифровой грампластинки.