Super Audio CD

Super Audio CD (SACD) — неперезаписываемый оптический аудиодиск, позволяющий хранить аудиоданные со значительно более высоким качеством по сравнению с обычным CDDA-диском. Разработан^{[уточнить]} компаниями Sony и Philips в 1999 году.

Super Audio CD
Тип носителя	оптический диск
Формат контента	цифровой (DSD)
Ёмкость	до 7,95 ГБ
Считывающий механизм	лазер, длина волны 650 нм (красный)
Разработан	Sony, Philips
Размер	диаметр 120 мм, толщина 1,2 мм
Применение	аудионоситель
Год выпуска	1999
Медиафайлы на Викискладе

Для воспроизведения SACD требуется специальный проигрыватель, совместимый с этим форматом; однако на SACD-диске может содержаться дополнительный CD-слой (только стерео) для совместимости с обычными проигрывателями, такие диски называются гибридными (Hybrid SACD) и их можно воспроизводить на любых обычных проигрывателях компакт-дисков.

История

Формат Super Audio CD был представлен в 1999 году. В мае 2002 года Philips и Crest Digital начали разработку и установку первой производственной линии по производству гибридных дисков SACD в США с производительностью 3 миллиона дисков в год. SACD не достиг уровня популярности компакт-дисков, и стал нишевым продуктом для аудиофилов.

Описание формата

Гибридный SACD содержит слой данных высокой плотности с потоком DSD и стандартный слой CD

Особенности кодирования

При записи SACD-дисков используется однобитный цифровой формат записи Direct Stream Digital (DSD), обеспечивающий более высокое качество звучания по сравнению с обычным CD благодаря более высокой частоте семплирования (до 2,8224 МГц).

Однобитный формат записи — это прямая запись однобитного выходного сигнала с АЦП типа дельта-сигма, причем этот сигнал имеет замечательные характеристики: динамический диапазон более 120 дБ, частотная характеристика от 0 до 100 кГц. При таком сочетании частотной характеристики и динамического диапазона формат DSD не имеет соперников среди других записывающих систем, цифровых или аналоговых.

Запись напрямую такого однобитного сигнала является альтернативой существующим форматам мастер-записи. Подобная запись устраняет необходимость процессов децимации и интерполяции для аналогового ввода-вывода. При этом упрощается структура (блок-схема) записывающей системы, поскольку исчезают параллельные информационные связи многоразрядных цифровых слов и необходимость их синхронизации.

Как и в обычных PCM-системах, аналоговый сигнал сначала конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации в 64 раза большей, чем номинальная частота дискретизации. Но DSD записывает одноразрядные импульсы напрямую, тогда как обычные системы затем преобразуют одноразрядный сигнал в многоразрядный PCM-код. В результате DSD дает цифровое одноразрядное представление аудиосигнала. Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют Pulse Density Modulation (PDM).

Полученный таким образом поток импульсов имеет примечательные свойства. Как и PCM, DSD по своей природе устойчив к искажениям, шуму и детонации записывающей аппаратуры и передающих каналов. Но, в отличие от PCM, DSD, как принцип преобразования, гораздо ближе к аналоговой передаче сигнала. Цифро-аналоговое преобразование может быть легко получено с помощью аналогового низкочастотного фильтра.

Поток дельта-сигма импульсов является достаточно «шумным». Сверхвысокое отношение сигнал/шум, которого требует DSD в звуковом диапазоне, достигается с помощью шумоподавляющих фильтров пятого порядка, что эффективно сдвигает шумы вверх по частоте за пределы звукового диапазона.

Шумоустойчивость

Действительно, хотя повышение разрядности и частоты дискретизации PCM-систем реально улучшали качество звука, эти улучшения становились все менее значительными. Очевидна и причина этого — фильтрация. В PCM-системе на входе необходимы фильтры с очень крутой характеристикой, чтобы подавить частоты, равные половине частоты выборки или превышающие её. При частоте выборки 44,1 кГц фильтры типа «кирпичная стена» должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц — задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования. К тому же семплирование на частоте Найквиста приводит к значительному сдвигу между фазовой и частотной характеристиками фильтров в верхней четверти частотного диапазона. В однобитной системе, напротив, фазовая характеристика в верхней части звукового спектра не подвержена воздействию фильтра типа «кирпичная стена». Этот аспект особенно важен, когда система цифровой обработки является частью петли обратной связи, потому что в этом случае сдвиг фазы меньше, а стабильность системы и достоверность звучания выше.

Другой особенностью этого формата является его поведение в условиях возможной перегрузки. Одноразрядные кодеры высокого порядка должны иметь возможность управления перегрузкой, чтобы не пострадала стабильность. Это обеспечивается с помощью выбора соответствующей передаточной характеристики. Одноразрядный формат не дает, в отличие от многоразрядного, эффектов aliasing при перегрузках.

Устойчивость к ошибкам

Поскольку любой бит одноразрядного формата несет одно и то же количество информации, эффект каждой ошибки не зависит от того, какой бит является ошибочным. В этом одноразрядный формат выгодно отличается от многоразрядного кодирования, в котором ошибка в старшем значащем бите (MSB) сказывается в $2^{L}$ (L — длина слова) больше, чем ошибка в младшем значащем бите (LSB). Для 20-битной системы записи это означает, что ошибка в MSB скажется примерно в 1 млн раз больше, чем в LSB.

Системы опережающей коррекции ошибок (такие, как используются в формате CD) исходят из предположения, что все биты имеют одинаковый информационный вес, поэтому они одинаково защищают каждый бит. Для аудиосигнала это не подходит, поэтому страдает эффективность таких систем — младшие значащие биты получают избыточную защиту, а старшие значащие биты не получают достаточной защиты. Более того, эффект от ошибок не является пропорциональным, так как зависит от того, в каком бите произошла ошибка. Это приводит к быстрой деградации сигнала при превышении определенного уровня плотности ошибок.

Фактически, максимальный эффект от каждой отдельной ошибки — это функция частоты избыточной дискретизации. эффект от ошибки обратно пропорционален коэффициенту избыточной дискретизации. Например, если коэффициент 64, ошибка, вносимая одним битом, будет примерно 1/64 максимального уровня, то есть её уровень на 36 дБ меньше максимального уровня сигнала на выходе.

Особенности SACD-дисков

Продолжительность звучания Super Audio CD может достигать 109 минут при условии, что он содержит две SACD-зоны с разными параметрами записи (например, 2.0 и 5.1). При использовании только одной SACD-зоны продолжительность звучания превышает 2 часа.

Запись на SACD-диске может содержать от 1 до 6 звуковых каналов.

Для воспроизведения SACD требуется специальный проигрыватель, совместимый с этим форматом. Однако на SACD-диске может содержаться дополнительный CD-слой (только стерео) для совместимости с обычными проигрывателями, такие диски называются гибридными (англ. Hybrid SACD) и их можно слушать на любых обычных проигрывателях компакт-дисков. Примерно половина выпущенных SACD-дисков являются гибридными.

Ёмкость диска SACD увеличилась в 6 раз за счёт уменьшения длины волны излучения лазера и увеличения апертуры объектива. Благодаря этому диаметр считывающего пятна света уменьшился до 1 мкм. Это, в свою очередь, позволило уменьшить размеры питов, интервалов между ними и шаг дорожки.

Для дисков SACD в качестве материала отражающих слоёв используется золото (в отличие от CD-DA, где используется алюминий; хотя встречаются и «золотые» CD, чаще всего для подарочных и коллекционных изданий — из-за своего «богатого» внешнего вида).

Сравнение с другими форматами

	CD	DVD-Audio	SACD
Формат, бит	16 PCM	16-, 20-, 24 PCM	1 DSD
Частота дискретизации, кГц	44,1	44,1—192	2822,4
Динамический диапазон, dB	96	144 (теоретически)	120
Частотный диапазон, Гц	20—20 000	до 96000	20—50 000
Ёмкость диска, ГБ	0,7	4,7—8,5	4,7—8,5
Время звучания, мин	80		>180 / 109
Стерео	Да	Да	Да
Surround Sound	Нет	5.1 (кроме 192 кГц)	5.1

CD-Audio использует для дискретизации аналогового звука частоту 44,1 кГц. В SACD частота в 64 раза бо́льшая — 2,8224 МГц. CD использует 16 бит для каждого семпла, так что поток информации здесь составит 16×44100 Гц на канал или 705 600 бит/с на канал. DSD использует 1 бит на отсчет, так что поток информации составит 2 822 400 бит/с на канал. Это в 4 раза больше, чем у CD, но меньше, чем у DVD-A, — 24 бит х 192 000 Гц = 4 608 000 бит/с

Формат DVD-Audio (разрядность — 24 бит, частота дискретизации — 192 кГц) передает сигнал с точностью 24 бит, что обеспечивает кодирование амплитуды сигнала с высокой точностью вплоть до частоты Найквиста, равной 96 кГц, при этом этот формат записи использует то же PCM-кодирование, что и CD-Audio.

Интересные факты

• Первые две версии PlayStation 3 (до 2010.10) полноценно воспроизводят SACD.
• DSD-диск — оптический диск (DVD-R, DVD+R, DVD-RW или DVD+RW), содержащий файлы DSD с расширением DSF, который может проигрываться на компьютере или другом оборудовании, поддерживающим воспроизведение этих файлов. Содержит аудиофайлы высокого разрешения с частотой дискретизации 2822,4 кГц. Качество аудиозаписи на DSD-диске такое же, как на SACD. Фирмой Sony разработана спецификация под названием DSD Disc Format, которой пользуются некоторые звукозаписывающие фирмы для выпуска DSD-дисков. Этот формат является открытым, и при наличии специального ПО такой диск может быть подготовлен в бытовых условиях и содержать файлы DSD, полученные, например, через Интернет.

См. также

• DSD, DXD
• Виниловая пластинка

Литература

• И. А. Алдошина, Э. И. Вологодин, А. П. Ефимов и др. Электроакустика и звуковое вещание: учебное пособие для вузов. — М.: Горячая линия-Телеком, Радио и связь, 2007. — 872 с.

Ссылки

• SACD-портал  (англ.)
• Российские многоканальные SACD записи и диски.
• Общая информация о SACD
• Direct Stream Digital: однобитный цифровой формат записи // Журнал «Звукорежиссёр», 1999, № 2
• SACD vs. DVD-Audio: практическое исследование форматов высокого разрешения