Джиттер в аудио звуке, с чем его едят....

В поисках пропавшего звука

ИСПОРТИЛ ПЕСНЮ

Идея этой статьи возникла после того, как один мой приятель с грустью сообщил, что сделанная мною на компьютерном дисководе CD-R копия звучит заметно хуже оригинала. "А на чем слушали?" - поинтересовался я. Была названа марка проигрывателя, при упоминании которой все джентльмены обычно встают и снимают шляпу. Разговор случился на ходу, на улице, но я все равно мысленно встал по стойке смирно и оголил купол.

Сам, честно говоря, на своем недорогом домашнем плейере не замечал абсолютно никакой разницы между копией и исходным диском. Хотя высказывания о деградации звука при цифровом копировании слышал уже не раз. Возникло желание во всем разобраться, вникнуть в суть и познать сокровенное.

Благо, технология копирования является последовательным процессом, состоящим из нескольких этапов - с ними легко разбираться по очереди. Начнем с первого.

ЧИТАЕМ ПО СЛОГАМ

Имеется масса возможностей безнадежно испортить звук на самом первом этапе копирования. Например, считать оригинальный диск не в цифровой форме, а в аналоговой, воспользовавшись услугами убогого до слез 12-битового ЦАП дисковода CD-ROM, а затем пропустив сигнал через чуть более совершенный АЦП звуковой карты. Однако подобные безумства сейчас позволяют себе только редкие чудаки - убежден, что среди наших читателей такие не встречаются.

Качественно считать аудио-CD для последующей записи на CD-R чрезвычайно сложно. Виноват в этом сам стандарт Compact Disk Audio - звуковые диски содержат лишь скудный минимум служебной информации о размещении данных на носителе. Его достаточно для восприятия аудиопроигрывателями, но слишком мало для надежного DAE - Digital Audio Extraction, то есть считывания цифровых аудиоданных без промежуточного преобразования в аналоговую форму. В предыдущих своих статьях о технологиях CD-R и mp3 уже достаточно подробно об этом писал (См. "Салон AV" №№ 2/98 и 4/99). Повторю лишь, что далеко не каждый дисковод CD-ROM способен успешно выполнять эту нехитрую операцию. Но даже те модели, что в принципе легко с ней справляются, обеспечивают точное считывание аудиоинформации только с качественных дисков, обладающих идеально чистой и неповрежденной поверхностью. Ибо DAE должно происходить точно так же, как и запись на CD-R - непрерывным потоком данных. Если пластинка отпечатана неизвестно где, на изношенном оборудовании или успела побывать в передрягах (к примеру, потряслась без коробки на ухабах в автомобильном багажнике в обнимку с домкратом, как у одного моего знакомого), то даже знаменитый своей всеядностью Plextor будет лишь в недоумении моргать светодиодами, не понимая, зачем в него задвинули бракованный диск.

Аудиопроигрыватели обычно легко "проглатывают" небольшие дефекты (размером до 4 мм, как уверяют специалисты) - цепи коррекции ошибок "восстанавливают" целостность потока, возмещая методом интерполяции недостающие данные. При считывании диска в компьютерном дисководе этого не происходит - устройство либо пропускает нечитаемый участок, либо возвращает читающую головку назад, снижает скорость вращения шпинделя и настойчиво пытается найти недостающие биты. Нередко это заканчивается мертвым зависанием системы и лечится только заветной кнопкой Reset. Но иногда "пропажа" чудесным образом находится, и процесс чтения продолжается. Однако из-за того. что исчерпывающая информация о точном местонахождении данных на носителе, как уже говорилось, отсутствует, лазер может при своих метаниях по диску промахнуться и все-таки пропустить часть потока или, напротив, ее продублировать. В итоге целостность данных нарушается, и возникают чрезвычайно неприятные на слух артефакты: скрипы, щелчки и прочие помехи.

Но самая большая беда даже не в этом, а в том, что большинство программ-грабберов, используемых для DAE, не дают стопроцентной индикации сбоев в чтении. Естественно, их можно обнаружить, прослушав от начала до конца wav-файлы перед записью на CD-R. Но покажите мне человека, который не проявляет хотя бы иногда беспечности, наивно доверяя бездушной технике.

Наиболее совершенные программы DAE (такие, как Audiograbber и WinDAC) могут вычислять в процессе извлечения аудиоданных их контрольную сумму (CRC). И поднимать тревогу, если она вдруг не сошлась. Но даже совпадение CRC не дает стопроцентной гарантии, что в полученном файле не будет артефактов. На сегодняшний день мне известна только одна программа считывания аудиоданных, которая обеспечивает более-менее надежную индикацию сбоев - это ЕАС (Exact Audio Copy, то есть "Точная Аудио Копия", если по-нашему). Автор ее, студент из германского города Дортмунда, видимо, хлебнул немало лиха в процессе переписывания музыки, а потому посвятил себя благому делу точного копирования. Программа работает по оригинальному алгоритму, и вправду обеспечивающему достаточно точное считывание аудиоданных. Но самое приятное ее свойство - способность честно и откровенно докладывать обо всех сомнительных местах - после завершения считывания возникает диалоговое окно с кнопочкой Possible errors. Клик мышкой - появляется еще одно окошко, на этот раз - со списком всех возможных дефектов. Выделяешь, чикаешь кнопочку Play - так и есть, скрипит телега, как будто бы не компакт-диск переписываешь, а запиленный винил.

(Всю эту канитель со скрипом и щелчками часто называют "джиттером" - jitter. Термин устоялся, вводя в заблуждение непосвященных и вызывая раздражение у специалистов. Последние предпочитают называть этим словом совсем другое явление, о котором мы поговорим чуть позже. Столько гадостей накопилось в нашей жизни, что уже и слов для них отдельных не хватает.)

Теперь представим, что оригинальный диск был идеальным и дисковод прекрасно справился с порученной работой, - в этом случае при переписи трека мы получим на винчестере файл в формате RAW или WAV с определенной контрольной суммой. Отправляем его на пишущий дисковод и заново получаем в виде трека - на этот раз на "болванке" CD-R. Вновь с нее считываем трек на диск. И если дисковод уверенно выполняет DAE, будем иметь файл с той же самой контрольной суммой. Проделывал подобную операцию многократно, - контрольная сумма совпадала (Должен оговориться, что тест проводился с помощью уже упоминавшейся программы ЕАС, которая позволяет с максимальной точностью компенсировать offset - некоторую величину смещения при позиционировании лазерной считывающей головки. Величина этого "промаха" является индивидуальной для каждого CD-ROM. Тест проводился на дисководе, который обладает способностью корректно считывать аудиоданные. Увы, как уже говорилось, такой способностью обладают далеко не все марки и модели). Затем проводил побитовое сравнение исходного файла с последующими его копиями - все файлы были абсолютно идентичными. То есть, с цифровой точки зрения записанный на CD-R трек является точной копией оригинала. Но все равно звучит по-другому.

В чем же дело? Очевидно, в том, что совпадение последовательностей единиц и нулей еще не означает цифровой идентичности. Мы почему-то забываем, что поток аудиоданных имеет некие временные характеристики. Которые могут различаться при воспроизведении диска на разных устройствах. Частота задающего генератора в дисководе, на котором проигрывается пластинка, может не совпадать с частотой задающего генератора устройства, на котором записывался мастер-диск. И хотя скорость вращения шпинделя непрерывно синхронизируется с воспроизводимым потоком данных,отклонения - пусть ничтожные - все равно возникают. И при определенных условиях могут стать заметными на слух.

ДЖИТТЕР МНОГОЛИКИЙ

Когда говорят, что копия на CD-R звучит хуже оригинала, отмечают обычно "помутнение", смазывание панорамы, ухудшение локализации источников звука... То есть те самые симптомы, что характерны для повышенного уровня джиттера. Того самого, который имеют в виду аудиоинженеры, произнося с отвращением это слово.

Однако будем брать пример с медиков, которые способны с невозмутимым видом изучать самые презренные продукты человеческой жизнедеятельности. Посмотрим, как определяют джиттер специалисты.

Известный в российском Интернете знаток цифровой звукозаписи Евгений Музыченко в своем "FAQ по цифровому представлению звуковых сигналов" пишет:

"Jitter - дрожание (быстрые колебания) фазы синхросигналов в цифровых системах, приводящие к неравномерности во времени моментов срабатывания тактируемых этими сигналами цифровых устройств...

...Джиттер может возникать из-за любой нестабильности напряжений и токов в области ЦАП/АЦП. Например, колебания питающих напряжений изменяют частоту опорного генератора, наводки на провода и печатные дорожки искажают форму цифровых сигналов. Даже если эти искажения не изменяют информационного содержимого сигнала - заключенной в нем битовой последовательности, они могут нарушить равномерность опроса входного звукового сигнала в АЦП или выдачу выходного сигнала с ЦАП и привести к искажениям формы, особенно заметной в области высоких частот".

Другой видный специалист по джиттеру, американец Боб Кац определяет это явление так:

"Джиттер - это нестабильность временной развертки. Возникает из-за изменения задержек в межкомпонентных соединениях. Наиболее часто встречающиеся причины джиттера - несовершенная конструкция цифровых интерфейсов и искажения формы сигнала из-за рассогласования по импедансу и/или помех в сигнальных цепях" (из статьи "Все, что вы всегда хотели знать о джиттере, но боялись спросить").

Еще один важный момент. "Необходимо, - пишет Евгений Музыченко, - различать "пограничный" джиттер, действующий на границах аналоговой и цифровой части схемы, - в области АЦП или ЦАП, и "внутренний", возникающий в любых других участках чисто цифровой схемы. Влияние на звуковой сигнал имеет только "пограничный" джиттер, ибо только он непосредственно связан с преобразованием аналогового звукового сигнала. Весь "внутренний" джиттер при грамотном построении схемы должен полностью подавляться в интерфейсных цепях, однако некорректная реализация может пропускать его и непосредственно на ЦАП/АЦП".

При цифровом копировании аудиодисков на дисководах CD-R сигнал ни разу не проходит через ЦАП/АЦП, а значит "пограничного" джиттера здесь не возникает - имеется лишь "внутренний".

Передается ли он в процессе цифрового копирования? Большинство отечественных и зарубежных джиттероведов убеждены: нет, не передается.

Вот что пишет по этому поводу все тот же Евгений Музыченко:

"Возникающий в цепях формирования, обработки, передачи, записи и чтения цифровых сигналов "внутренний" джиттер вполне может распространяться по системе, выходить за ее пределы и переноситься между системами через цифровые интерфейсы передачи или цифровые же носители информации. При этом величина джиттера может как ослабляться, так и усиливаться. При использовании интерфейсов передачи со "встроенным" (embedded) синхросигналом, а также при чтении с любого носителя, приемная сторона вынуждена синхронизироваться с передатчиком путем использования систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ, Phase Locked Loop - PLL), которая вносит дополнительные дрожания, будучи не в состоянии мгновенно отслеживать изменения фазы и частоты принимаемого сигнала.

Один из возможных способов ослабления джиттера при передаче - использование синхронных интерфейсов с отдельным тактовым сигналом (Word Clock), а еще лучше - асинхронных двунаправленных с возможностью согласования темпа передачи, наподобие RS-232. В этом случае стороны могут не опасаться возможного опустения или переполнения буфера на приемном конце, передача может выполняться блоками с более высокой скоростью, чем идет вывод звука, а приемная сторона может использовать полностью независимый стабильный генератор для извлечения отсчетов из буфера. Однако все это имеет смысл только в том случае, когда приемник работает непосредственно на ЦАП - при записи на носитель неравномерности такой величины влияния на качество звука не оказывают". Схожей позиции придерживается и Боб Кац:

"Многие известные устройства имеют высокий уровень джиттера на выходе - особенно это касается DAT-магнитофонов. Однако в большинстве случаев цифровых записей джиттер практически не сказывается на финальном результате. Я говорю "в большинстве", поскольку добросовестный исследователь всегда оставляет немного места для сомнений, которые могут возникать в процессе прослушивания, и я на самом деле отмечал некоторые исключения из этого правила...

...Воспроизведение с DAT-магнитофона звучит обычно лучше, чем тот же сигнал в процессе записи. Как вы помните, DAT-аппарат в режиме воспроизведения извлекает данные из внутренней буферной памяти, и цифровой поток синхронизируется встроенным кварцем. А в режиме записи синхронизация данных осуществляется источником через интерфейс PLL с относительно высоким уровнем джиттера...

...Мне не доводилось сталкиваться с примерами того, что джиттер накапливается в процессе цифрового копирования. На самом деле компакт-диск, изготовленный с мастера на DAT-ленте, обычно звучит лучше, чем сам мастер, поскольку компакт-диск обеспечивает более высокую стабильность передачи данных, чем DAT-магнитофон. В то, что копия может звучать лучше оригинала, трудно поверить, однако это один из ключей к пониманию странного феномена цифрового звука" (Признаюсь, что и в моей личной практике, бывали чудеса, когда копия на CD-R звучала лучше оригинала - обычно это случалось при переписи сомнительных дисков, отпечатанных на изношенном оборудовании).

Итак, бурная жизнь джиттера бесславно заканчивается, как только поток цифровых данных превращается в цепочку разделенных промежутками питов (pits and lands), то есть рассеивающих и отражающих участков на компакт-диске.

И возрождается вновь, когда диск оказывается в считывающем устройстве аудиопроигрывателя или в лотке компьютерного CD-ROM. Но это уже другой джиттер, совсем не тот, что хулиганом гулял по цифровым цепям рекордера и опрокидывал урны в его ЦАП/АЦП - этот свой, местный, он здесь родился и чувствует себя хозяином.

СЕГРЕГАЦИЯ ПО ЦВЕТУ РОЖИ

Даже при абсолютной цифровой идентичности двух дисков для конкретного проигрывателя они вовсе не являются одинаковыми, - они отличаются как минимум разными коэффициентами отражения. Мощность светового потока, отражаемого "золотой болванкой" CD-R, может в лучшем случае составлять порядка 60-70 процентов от мощности потока, который поступает в светоприемник при проигрывания обычного, "алюминиевого" диска. К тому же границы между питами и промежутками на CD-R не столь четкие, как на обычном CD. У перезаписываемых дисков CD-RW рабочий слой обладает еще более высоким коэффициентом поглощения света, а потому условия их считывания максимально некомфортны. Для чванливых транспортов класса High End цветастый диск CD-R подобен латиносу, по недоразумению затесавшемуся в благородную компанию янки - общаться с таким будут лишь брезгливо наморщив нос. А с предельно темной "болванкой" CD-RW белый господин даже стоять рядом не будет.

Любопытна в этом смысле история с CD-рекордером Philips CDR 870. Журнал "Hi-Fi & Music" (№6 за 1998 г.) обнародовал итоги испытаний этого аппарата, которые проводились англичанами. Отмечался небывало высокий уровень джиттера на выходе при проигрывании дисков CD-R (1602 псек). Поразительно, что диски CD-RW давали всего лишь 452 псек джиттера. Должен, однако, признаться, что та статья вызвала у меня в отдельных местах недоумение. К примеру, в ней говорилось, что якобы наводки "навечно" заносятся вместе с музыкальной информацией на CD-RW и будут всегда присутствовать при воспроизведении его на других аппаратах. При этом тесты с проигрыванием диска на других плейерах не проводились, и утверждения о сохранении джиттера в записи являются абсолютно голословными. Ведь надо еще поискать аппарат, который способен эти самые диски CD-RW считать. Вспоминается в связи с этим фраза, с которой Боб Кац начинает свою статью о джиттере:

"Инженеры звукозаписи и аудиофилы настолько плохо понимают суть джиттера, что мы решили посвятить ему целый раздел".

Кстати, мой Denon DCD-735 перезаписываемые диски худо-бедно читает, хотя и не всех марок. Однако звук при этом настолько отвратителен, что лучше бы он этого вообще не делал никогда (К слову сказать, диски CD-RW в последнее время подешевели, однако покупать их все равно не советую - мало того, что играют очень плохо, но и на удивление быстро отдают Богу душу, хотя производители обещают около 1000 циклов записи. У меня они обычно дохли после 10-15. Что же касается Philips CDR 870, то дело, думаю, в том, что его создателям казалось, что перезаписываемые диски - это очень круто и "заточили" свой аппарат именно под них. И зря!).

Впрочем, ситуация с Philips кажется показательной. Записывающему аппарату, способному работать с CD-RW, в принципе все равно, на какой диск ему писать - подстраивается лишь мощность записывающего лазера - уровень джиттера в канале записи при смене типа "болванки" не изменяется. Он становится другим именно в процессе чтения уже записанного компакта,

Сам я провел достаточно красноречивый эксперимент. Создал на винчестере образ аудиодиска и затем копировал его на CD-RW и "болванки" CD-R разных производителей. Условия записи отличались лишь мощностью записывающего лазера, который автоматически калибровался на специальной дорожке, что имеется у каждого записываемого и перезаписываемого диска. Уровень "внутреннего" джиттера, который гулял по сигнальным цифровым цепям, при этом не менялся. С цифровой точки зрения оба компакта были абсолютно идентичными, тем более что и записывались на одной аппаратуре в абсолютно одинаковых условиях. Однако полученные в ходе эксперимента диски звучали совершенно по-разному, - отличия были столь велики, что замечались любым, даже не тренированным тестовыми прослушиваниями ухом. В итоге приобрел себе стойкое убеждение: различия в звучании оригинальных дисков и их копий связаны в первую очередь именно с разными оптическими характеристиками носителей.

А вот что пишет по этому поводу Евгений Музыченко ("FAQ по звуковым компакт-дискам"):

"Записываемые диски за счет наличия органического фиксирующего слоя имеют более низкий коэффициент отражения, чем штампованные, отчего некоторые проигрыватели (Compact Disk Player - CDP), рассчитанные на стандартные алюминиевые диски и не имеющие запаса по надежности чтения, могут воспроизводить диски CD-R менее надежно, чем обычные...

...неравномерности сигнала с диска полностью компенсируются входным буфером декодера, так что любое дрожание и детонация, возникшие до помещения сигнала в буфер, на этом этапе уничтожаются. Выборка из буфера управляется стабильным генератором с фиксированной частотой, однако таким генераторам тоже присуща определенная, хотя и гораздо меньшая, нестабильность. В частности, она может быть вызвана помехами по цепям питания, которые, в свою очередь, могут возникать в моменты срабатывания CAP и коррекции скорости диска или положения головки/линзы. На дисках низкого качества эти коррекции происходят чаще, давая ряду экспертов повод напрямую связывать стабильность выходного сигнала с качеством диска, хотя на самом деле причиной является недостаточно хорошая развязка систем CDP".

Вспомните эксперименты аудиофилов с зеленым фломастером. Отточенный хай-эндом слух замечал разницу в звучании при закрашивании торца диска! А здесь сам рабочий слой и отражающая поверхность совершенно другие. Очевидно, что и разные оптические кабели звучат неодинаково по той же самой причине: отличаются световые потери, отражения и т.д. и т.п. Ничего противоестественного и недоступного человеческому сознанию в этом нет.

ГОРЕ ОТ УМА

Нет ничего противоестественного и в том, что аппаратура класса хай-энд плохо справляется с пластинками, которые представляются ей некачественными, поскольку с большими потерями отражают свет лазера. Тот самый почтенный проигрыватель, о котором говорилось в начале статьи, читать диски CD-RW не пожелал. Имел на то полное право, поскольку такой способностью обладают лишь относительно современные считывающие устройства со специальной системой подстройки мощности читающего лазера. Эти дисководы прекрасно читают и диски CD-R. Как, например, мой скромный и всеядный Denon DCD 735. Хотя его звук, конечно же, очень далек от хай-энда. Ну и ладно.

Каждому свое. Обладая аппаратурой стоимостью во многие тысячи долларов, глупо экономить на компактах. А уж если приспичило переписать что-нибудь на CD-R, надо на этот случай держать где-нибудь под кроватью что-нибудь попроще, посовременнее и посговорчивее.

Все-таки тяжела жизнь у ортодоксальных аудиофилов - счастье для них возможно только за очень большие деньги. Проще таким, как я, обычным людям - со следами медвежьих лап на ушах и незатейливым слухом, испорченным жизнью в городской, загрязненной индустриальными шумами звуковой среде. Мы можем не только радоваться переписанным на компьютере дискам, но и развлекаться играми с разными форматами сжатия аудиоданных. Кстати, стандарт mp3, который плотоядно осваивается производителями портативной аудиотехники и о котором я уже подробно писал (См. "Салон AV" №4/99.), начал выходить из моды среди продвинутых компьютерных меломанов. На смену ему идет другой формат, но об этом - как-нибудь в следующий раз.

Источник: hi-fi.ru
https://soundex.ru/

Треки для определения уровня джиттера.