Основная проблема CD в том, что количества цифровых данных, представляющих музыку, не вполне достаточно для правильного кодирования всей музыкальной информации, которую мы можем слышать. Частота дискретизации CD 44,1 кГц недостаточно высока, а 16-ти разрядов на отсчет слишком мало. Проблема в том, как вместить больше информации о музыкальном сигнале на компакт-диск с частотой дискретизации 44,1 кГц и количеством разрядов — 16.

Но разве можно упаковать еще больше информации в канал, емкость которого и так уже целиком использована? Диск High Definition Compatible Digital (HDCD) использует несколько оригинальных методов, чтобы добиться этого. В результате достигнуто существенно лучшее качество звучания и технические параметры, чем у обычного цифрового звука формата 16 разрядов/44,1 кГц. Этот метод был изобретен Кейтом Джонсоном и Майклом Пфлаумером, которые вместе с Майклом Риттером основали фирму "Pacific Microsomes Inc.", чтобы развивать и продвигать на рынке HDCD.

Записи, закодированные при помощи HDCD, можно декодировать и воспроизвести на любом CD-проигрывателе с некоторым улучшением верности звучания. Но если ваш CD-проигрыватель оборудован специальным декодером, то записи HDCD можно воспроизводить с гораздо лучшим качеством звучания, чем у обычных CD. Давайте посмотрим, как работает эта технология.

Кодирующее устройство HDCD получает аналоговый звуковой сигнал (с аналоговой магнитной ленты или непосредственно с микрофона) и преобразует его в цифровую форму с очень высокой частотой дискретизации (176,4 кГц) и с 20-разрядным разрешением. Количество вырабатываемых данных слишком велико для записи на CD, поэтому кодирующее устройство анализирует высокоразрешающий сигнал, чтобы определить, какая важная в музыкальном отношении информация будет потеряна при преобразовании этого сигнала в формат 16 разрядов/44,1 кГц, используемый для записи на CD. Затем кодирующее устройство вырабатывает выходной цифровой аудиосигнал 16 разрядов/44,1 кГц, но с кодом управления, спрятанным в 16-ом бите. Этот скрытый и неслышимый код управления заставляет HDCD-декодер CD-проигрывателя выполнять определенную обработку звукового сигнала, восстанавливающую ту часть информации, которая содержится в исходном высокоразрешающем цифровом сигнале. Заметим, что в записи HDCD вы не теряете ни одного бита разрешающей способности, — код управления занимает только 3-5% времени.

Небольшое количество информации, содержащейся в управляющем коде, при декодировании может вызвать большие изменения в звуковом сигнале. Это происходит потому, что код управления — это своего рода стенограмма, понятная декодеру. Вот аналогия: допустим, мы хотим передать Девятую/ симфонию Бетховена на другое цифровое устройство. Вместо того чтобы передавать всю симфонию, пошлем всего несколько битов, которые прикажут этому устройству воспроизвести все произведение. Так же точно работает HDCD: вместо передачи музыкальной информации, которая была бы потеряна при обычном кодировании, код управления передает декодеру команды, задающие способ восстановления этой информации. Поскольку большая часть "умственных способностей" HDCD находится в декодере, небольшое число битов кода управления выполняют много работы. На рис. 8-13 показаны функциональные схемы кодирующего и декодирующего устройств HDCD.

HDCD использует много способов улучшения качества звука. Давайте рассмотрим, как он преодолевает ограничения ширины полосы CD в 20 кГц.

Несмотря на то, что люди действительно могут слышать чистые тона только до 20 кГц (при хорошем слухе), это не значит, что выше 20 кГц нет воспринимаемой звуковой информации. Очень высокие частоты обеспечивают более крутую атаку; ухо/мозг могут обнаружить различие в крутизне сигналов с шириной полосы 20 кГц и 40 кГц.

Ширина полосы аудиосистемы определяет, насколько быстро она может реагировать на звуковые сигналы. Представьте себе сабвуфер — устройство с узкой полосой частот, пытающееся воспроизвести атаку треугольника. НЧ-головка просто не сможет двигаться настолько быстро, чтобы правильно воспроизвести крутые фронты переходных процессов сигнала треугольника.

Цифровая аудиосистема с диапазоном частот 20 кГц просто не сможет закодировать фрагменты музыки, содержащие быстрые изменения сигнала. В музыке это проявляется прерывистостью звучания и пониженной точностью локализации инструментов. Опыты показали, что комбинация ухо/мозг использует информацию с быстрыми переходными процессами в качестве сигнала о направлении. Кроме того, ограничение скорости изменения звуковых сигналов приводит к изменению их тембра. Например, та составная часть звука гобоя, которая содержит крошечные "пощелкивания" двигающихся вперед и назад язычков музыкального инструмента, просто исчезнет. Мы воспринимаем это не как искажение, а как ослабление естественности. Вот почему в звучании "живого" гобоя ощущается живость и эффект присутствия, а в записи этот эффект пропадает. Поскольку полоса частот CD недостаточно широка, инструментальные тембры изменяются и искажается информация о направлении.

Помните тот скрытый код управления, спрятанный в 16-ом бите записи, закодированной при помощи HDCD? Часть этого сигнала управления указывает декодеру CD-проигрывателя, что некоторый сигнал имеет замедленную атаку переходного процесса. В этом случае декодер восстанавливает первоначальную крутизну переходного сигнала. Таким образом, HDCD может воспроизводить сигналы, скорость изменения которых требует более широкой полосы частот, чем 20 кГц, получаемых в CD из-за применения частоты дискретизации 44,1 кГц.

Это всего лишь один из многих способов, используемых в HDCD для того, чтобы "протиснуть" музыку через канал 16 разрядов/44,1 кГц. Аналогичные способы применяются и для решения проблемы ограничения динамического диапазона при 16-разрядном кодировании. Эта система на практике чрезвычайно сложна и является результатом длительных исследований человеческого слуха, записи сигналов, проектирования электронных схем и обработки цифровых сигналов.

Декодер "Pacific Microsomes PMD100 HDCD" содержит также цифровой фильтр с восьмикратной передискретизацией, являющийся составной частью схемы декодирования HDCD. Этот фильтр работает и при воспроизведении дисков, закодированных обычным способом, от чего лучше звучат даже те записи, при кодировании которых не применяли HDCD. Такой результат достигается благодаря работе цифрового фильтра с более высокой математической точностью, чем у другой аппаратуры, а также за счет применения некоторых инженерных ухищрений для повышения качества звука.

HDCD обычно используют в студийной части тракта записи-воспроизведения. После того как альбом записан и смикширован, продюсер и исполнитель отправляют пленку в студию записи исходных материалов (мастеринг-студию), чтобы создать цифровую исходную фонограмму, с которой будет изготовлен CD. Инженер, ответственный за изготовление исходной фонограммы, исполнитель и продюсер решают, нужно ли использовать HDCD-процесс. В настоящее время более 1000 записей выпущено с использованием HDCD и продано 50 миллионов дисков. (Вы можете ознакомиться со списком названий на www.hdcd.com.)

"Pacific Microsomes" продает профессиональные HDCD-кодеры (рис. 8-14), а также микросхему декодера/фильтра PMD1000 и лицензии на использование HDCD-декодирования другим компаниям. Например, ..Motorola", "Analog Devices" и "Sanyo" производят микросхемы обработки звука, содержащие HDCD-декодирование, и выплачивают "Pacific Microsomes" небольшие отчисления за каждую проданную микросхему'. Это лицензионное соглашение аналогично используемому фирмой "Dolby Laboratories" при лицензировании их вездесущей схемы шумопонижения "Dolby В".

На мой взгляд, HDCD — это значительный прогресс в качестве звучания цифровых записей. Мне удалось сравнить исходную аналоговую запись с версией кодированной/декодированной с использованием HDCD, а также с обычным кодированием в формате 16 разрядов/44,1 кГц. Я также мог сравнить на слух сигнал непосредственно с микрофона (и инструмента в зале) с высококачественной аналоговой магнитной записью и HDCD. Мой опыт подсказывает, что HDCD улучшает качество звука, и это улучшение характеризуют: более тонкое разрешение деталей, более точная передача тембра, более мягкие и менее синтетичные высокие частоты, увеличенный динамический контраст, отсутствие жесткости в громких и сложных пассажах, расширенная звуковая сцена, резче сфокусированная картина, четче выраженное фронтально-тыловое расслоение, ощущение "сияния" вокруг контуров инструментов, хорошая слышимость тихих инструментов на фоне громких.

Даже если желанный звуковой диск с супервысоким качеством станет реальностью, цифровой звук 44,1 кГц/16-бит будет с нами еще достаточно долгое время. HDCD предлагает наилучшее решение проблемы получения максимально высокого качества звучания компакт-диска.