Cyfrowy dźwięk - przeszłość, teraźniejszość, przyszłość

Trudno dokładnie stwierdzić, kiedy wymyślono cyfrowe audio. Idea przesyłania analogowego sygnału elektronicznego w postaci zer i jedynek narodziła się już kilkadziesiąt lat temu, a leżąca u jej podstaw matematyka jest jeszcze starsza - sięga XVII w. Prawdopodobnie momentem najbliższym narodzinom cyfrowego dźwięku jest opisanie przez Aleca Reevesa systemu Pulse Code Modulation w 193. r. Dużo wysiłku w przekształcenie teorii w praktykę włożył Claude Shannon, w wielu źródłach określany "ojcem cyfrowych sygnałów". I to dzięki Reevesowi i Shannonowi cyfrowe kodowanie sygnałów zaczęło być wykorzystywane w telefonii już od lat 40. XX w.

Przesyłanie mniej lub bardziej rozpoznawalnego głosu kablem telefonicznym to jedno, ale odtwarzanie nagrań muzycznych z zachowaniem odpowiedniej jakości to coś zupełnie innego. Z tego też powodu cyfrowe rejestrowanie muzyki musiało czekać do lat 70. Pierwsze komercyjne nagranie cyfrowe zostało wykonane w 1977 r., kiedy to Tom Stockham wykorzystał specjalnie zaprojektowany sprzęt elektroniczny, dostarczający sygnał do rejestratora (oczywiście nagrywającego na taśmie magnetycznej - w owych czasach był to jedyny dostępny nośnik!) z częstotliwością próbkowania 50Hz i 16-bitową rozdzielczością.

Wkrótce potem swój cyfrowy system nagrywania dźwięku wprowadził Denon oraz firma 3M. Nie było wtedy możliwości zaoferowania użytkownikom cyfrowych nagrań bezpośrednio, więc największe wytwórnie umieszczały na okładkach LP informacje "Recorded Digitally". Tymczasem inżynierowie w wielu firmach pracowali nad stworzeniem cyfrowego systemu odtwarzania muzyki. 3. lat temu owoc ich prac został wprowadzony na rynek jako "Compact Disc". Co ciekawe, ustalono jeden, obowiązujący na całym świecie standard, czego później nie dało się już powtórzyć. Od tego czasu opinie na temat tego, czy był to najjaśniejszy, czy najciemniejszy dzień w historii audio są podzielone.

Format CD audio był dziełem firmy Sony i Philips. Ten ostatni chciał wprowadzić format 14-bitowy, ale Sony upierało się przy 1. bitach. Mówiono też, że założyciel Sony, Akio Morita, osobiście ustalił minimalną pojemność umożliwiającą odtworzenie 72 minut muzyki. Jak uzasadniano, jest to typowy czas dla 9 Symfonii Beethovena (ulubione nagranie Mority).

Optyczna konstrukcja płyt została pierwotnie opracowana z myślą o analogowych LaserDiscach i firmy Sony oraz Philips przygotowały cyfrową wersję tego systemu. W 198. r. firmy Sony i Philips wprowadziły w Japonii pierwsze domowe odtwarzacze CD. Urządzenia nie były tanie, ale porównywalne z audiofilskimi gramofonami klasy średniej. Same płyty były znacznie droższe od winylowych LP (w zależności od płyty i wytwórni różnica w cenie mogła być nawet dwukrotna) i początkowo wybór nie był zbyt duży. A jak wypadało porównanie, jeśli chodzi o jakość dźwięku?

Wielki dyrygent Herbert von Karajan był gorącym orędownikiem technologii cyfrowej, wygłaszając po wysłuchaniu swojego pierwszego cyfrowego nagrania słynną opinię "wszystko inne to przeżytek". Cynicy od razu zauważyli, że jego wytwórnia płytowa Deutsche Grammophon intensywnie promowała CD, ale nie był on w swoich opiniach odosobniony. Wielu profesjonalnych krytyków specjalizujących się w muzyce klasycznej przystąpiło do cyfrowego obozu.

Z drugiej strony nie brakowało audiofilów, którzy umieszczali brzmienie oferowane przez nową technologię gdzieś pomiędzy okropnym i ohydnym. Amerykański pianista, inżynier dźwięku i wykładowca uniwersytecki James Boyk miał koszulkę z hasłem "Technologia cyfrowa kończy to, co zaczął tranzystor" i chociaż bez odpowiedniego kontekstu słowa te można było różnie interpretować, amerykański świat audiofilski szybko doszedł do właściwych wniosków. Cyfrowym nagraniom zarzucano ostre, mało muzykalne i nieatrakcyjne brzmienie...

Pojawiło się też wiele argumentów technicznych przekonujących, że technologia cyfrowa "nie ma prawa działać". Większość z nich opierało się na dwóch czynnikach. Po pierwsze odstęp czasowy pomiędzy próbkowaniem wynoszący 2. mikrosekundy nie zapewniał odpowiedniego timingu dźwięku, a po drugie cyfrowe próbkowanie działało tylko w oparciu o tony ciągłe, a nie transjenty, które są niezwykle ważnym elementem muzyki i pozwalają uzyskać wciągające i bogate brzmienie. Niestety argumenty te (które nadal są podnoszone) nie znalazły potwierdzenia w praktyce i nikomu nie udało się w sposób jednoznaczny wykazać ich konsekwencji.

W miarę upływu czasu opór ludzi w stosunku do cyfrowego dźwięku zaczął słabnąć. Wynikało to po części z faktu, że jakość dźwięku cyfrowych nagrań i systemów reprodukcji zaczęła się poprawiać. Chociaż nie potwierdzono najbardziej fundamentalnych zarzutów, zidentyfikowano kilka bardziej subtelnych (choć istotnych) źródeł zniekształceń i natychmiast je wyeliminowano. Na przykład niektóre wczesne odtwarzacze CD były wyposażone w bardzo złej jakości filtry antyaliasingowe, co miało niekorzystny wpływ na dźwięk. Jednak Philips (i inne firmy wykorzystujące rozwiązania Philipsa, jak np. Marantz czy Meridian) od samego początku stosował w swoich odtwarzaczach filtry oversamplingowe. Reszta producentów szybko zorientowała się, że jest to jedyne rozwiązanie.

Jeszcze przed końcem lat 80. kolejnym źródłem zniekształceń okazał się jitter, który jednak obecnie nie stanowi już większego problemu. Udało się również w niektórych odtwarzaczach i DAC-ach wyeliminować zniekształcenia "Alias-Intermodulation Distortion" opisane w 1998 r. przez niejakiego Richarda Blacka. Z drugiej strony inżynierowie dźwięku nauczyli się też, jak maksymalnie wykorzystać potencjał technologii cyfrowej.

Największym powodem troski zarówno w środowisku audiofilskim, jak i wśród inżynierów dźwięku było ograniczone pasmo. Kiedy więc pojawiła się możliwość rejestrowania dźwięku z większą częstotliwością próbkowania, została powitana z ogromnym entuzjazmem. Na samym początku profesjonalne systemy wykorzystywały takie same częstotliwości próbkowania, jakie oferowała płyta CD, ale w latach 90. coraz częściej zaczęto rejestrować dźwięk w formacie 24-bit/96kHz. Dało to inżynierom większy margines stosowania systemów przetwarzania dźwięku, a kiedy tylko audiofile dowiedzieli się o takiej możliwości, zaczęli się domagać szerszego jej upowszechnienia...

W tym samym czasie pojawił się zupełnie nowy system, czyli nagrywanie 1-bitowe. Producenci układów scalonych konwertujących sygnały analogowe na cyfrowe i na odwrót szybko zorientowali się, że rejestrowanie dźwięku z dużą częstotliwością próbkowania i małą rozdzielczością bitową ma wiele zalet (jak chociażby mniejszy pobór mocy). Okazało się, że przetwarzanie 1-bitowe pozwala uzyskać tyle samo informacji co konwencjonalne przetwarzanie wielobitowe, o ile częstotliwość próbkowania będzie dostatecznie duża.

1-bitowe kodowanie i dekodowanie szybko zyskało sporą popularność i wielu komentatorów zaczęło sugerować, że 1-bitowy strumień danych może być rejestrowany bez żadnych modyfikacji, co pozwoli uzyskać lepszą odpowiedź częstotliwościową i wyeliminuje ślady cyfrowego przetwarzania. System ten stał się znany jako Direct Stream Digital (DSD) i został wykorzystany przez Sony do upowszechnienia formatu Super Audio Compact Disc (SACD).

Niestety, zgodnie ze starą tradycją hi-fi, inni producenci zaczęli wspierać system 24-bit/96kHz w ramach różnych implementacji DVD, włączając w to DVD-Audio, co doprowadziło do wojny formatów. Co prawda DVD-A nie zyskało dużej popularności, ale nie ulegało wątpliwości, że oba systemy oferowały lepszą specyfikację techniczną niż płyta CD. Pozostało jednak pytanie, w jakim stopniu przekładało się to na lepszą jakość dźwięku. Nawet dzisiaj opinie są podzielone, choć wielu specjalistów uważa, że DVD-A było technologicznie lepszym formatem, podczas gdy SACD wydaje się subiektywnie bardziej muzykalny.

Kiedy DVD-A i SACD toczyły walkę na śmierć i życie na hi-endowym froncie, pojawiła się nowa technologia stanowiąca poważne zagrożenie dla całej koncepcji nieskazitelnie czystego cyfrowego brzmienia. Idea wykorzystania "kompresji danych" (czy też raczej "redukcji danych") do kodowania dźwięku z wykorzystaniem mniejszej ilości bitów ma długą historię, sięgającą lat 70. ubiegłego wieku.

W latach 80. zaczęto stosować kompresję w branży muzycznej, argumentując, że ludzkie ucho nie jest w stanie wychwycić wszystkich detali nagrania i łatwo można przekonać słuchacza, że słyszał coś, czego tak naprawdę usłyszeć nie mógł. Jednocześnie dość uporządkowana struktura muzyki umożliwia pewne zredukowanie ilości danych bez słyszalnej utraty informacji. Połączywszy te dwie koncepcje, inżynierowie dźwięku stworzyli systemy umożliwiające zredukowanie aż o 90 proc. objętości muzycznych danych, a jednocześnie dość optymistycznie zapewniali o "jakości CD"...

MP3 był pierwszym i najbardziej znanym formatem kompresji, chociaż jego następca, AAC, szybko zdobywa popularność dzięki wsparciu ze strony Apple. Jakość takich nagrań potrafi być dość wysoka, choć rzadko oferuje to, co większość audiofilów uznaje za ideał. Jednak systemy te utorowały drogę muzyce bez konieczności stosowania nośników fizycznych jak płyty winylowe czy srebrne krążki. Muzykę w postaci plików można przechowywać w komputerach, odtwarzaczach muzycznych, pamięciach masowych a ostatnio coraz częściej w tzw. chmurze. Termin "zmiana paradygmatu" jest zdecydowanie nadużywany, ale w tym wypadku rzeczywiście mamy do czynienia z czymś takim. Cyfrowa muzyka to tylko bity - bez względu na to gdzie i jak są zapisywane.

W sytuacji kiedy łącza internetowe z każdym rokiem stają się coraz szybsze, a przestrzeń dyskowa coraz tańsza, już wkrótce nie będziemy musieli uciekać się do stratnej kompresji, aby przechowywać muzykę. Bezstratnie skompresowany dźwięk (w jakości CD lub lepszej) może być z powodzeniem przesyłany szerokopasmowymi łączami w czasie rzeczywistym. Audiofilskie wytwórnie muzyczne oferują pliki wysokiej rozdzielczości i jestem przekonany, że już wkrótce stanie się to standardem, chociażby po to, aby przekonać użytkowników do wykupienia jeszcze szybszego dostępu. Sto lat historii audio pokazuje, że nawet to, co w danej chwili jest najlepsze, okazuje się niewystarczające. Ta sama logika każe przypuszczać, że przetworniki DAC nadal będą udoskonalane, nawet jeśli będzie to proces powolny.

Większość z nas pogodziła się już z faktem, że bity pozostają bitami bez względu na to, gdzie je zapisujemy. To dobra wiadomość, bo oznacza, iż cyfrowa muzyka nie jest już przywiązana do fizycznego nośnika i może być ulepszana bez konieczności wprowadzania na rynek nowych generacji urządzeń umożliwiających odtwarzanie nowego formatu - jak to było w przypadku próby przejścia na SACD. Zamiast tego wystarczy zaktualizować oprogramowanie komputera lub zainstalować nowy kodek w nadziei uzyskania jeszcze lepszego cyfrowego dźwięku. W pewnym sensie cyfrowe audio musiało się pogorszyć, aby móc się rozwinąć. Gdyby nie zaczęło emigrować na komputery w postaci MP3. nie mielibyśmy teraz plików FLAC 24-bit/96kHz.

Dlatego możemy z nadzieją patrzeć na przyszłość cyfrowego audio. Czy jednak taki dźwięk oferuje subiektywnie lepszą jakość niż analog? To już zupełnie inna historia...

Richard Black

Poprosiliśmy pięciu specjalistów z branży audio o ich opinie na temat cyfrowego audio, zadając każdemu z nich cztery identyczne pytania:

1. Czy w 2012 r. analogowe nagrania mają jeszcze sens?
2. Czy uważasz, że standardowe CD to satysfakcjonujący format cyfrowy?
3. SACD i DVD-Audio: czy rzeczywiście są lepsze?
4. Czy uważasz, że przyszłość przyniesie poprawę jakości nagrań?

Tim de Paravicini
EAR Yoshino

Od lat 60. Tim jest związany z branżą hi-fi, w szczególności z produkcją sprzętu do nagrywania i rejestrowania dźwięku na żywo. Był zaangażowany w opracowanie formatu analogowego, oferującego (jak dotąd) najwyższą jakość - jednocalowej taśmy stereo.

1. Zdecydowanie tak. To format ponadczasowy!
2. Satysfakcjonujący, ale przeczytajcie odpowiedź na następne pytanie...
3. Tak. SACD i DSD to niemal idealny sposób rejestrowania muzyki, o ile wzniesie się o jeszcze jedną oktawę. Format ten cieszy się dużą popularnością w Japonii, zaczynają się też pojawiać pliki DSD do pobrania.
4. Tak, jeśli ludzie zaczną słuchać muzyki uważnie i będą to robili właściwie. DSD oferuje liniowość PWM z samplingiem 5,63. MHz. Wiem, że przetwarzanie DSD nastręcza nieco problemów, ale można znaleźć sposób na ich rozwiązanie.

Tony Faulkner
Inżynier dźwięku specjalizujący się w muzyce klasycznej

Tony, powszechnie uznawany za jednego z czołowych inżynierów dźwięku specjalizujących się w muzyce klasycznej, od samego początku działa na polu cyfrowego audio wysokiej rozdzielczości.

1. Tak. Nagranie Studer A80 15ips pierwszej generacji brzmi świetnie!
2. Tak. Zapewnia wszystko, co jest potrzebne do słuchania muzyki i jest lepsze od MP3.
3. Pod względem jakości dźwięku oferują wiele zalet. Jako formaty nie sprawdziły się komercyjnie. DSD jest kłopotliwe z punktu widzenia studiów nagraniowych i producentów sprzętu audiofilskiego.
4. Pliki wysokiej rozdzielczości mają duży potencjał. Oznaczają niewielkie ryzyko finansowe z punktu widzenia wytwórni muzycznych.

Ben Beaumont
Menedżer szkoleń i produktów w Cambridge Audio

Cambridge Audio to jeden z największych producentów hi-fi w Wielkiej Brytanii, oferujący m.in. odtwarzacze CD oraz urządzenia do streamingu i odtwarzania dźwięku wysokiej rozdzielczości w każdym dostępnym formacie.

1. Nadal brzmi fantastycznie i służy za wzorzec dla nagrań cyfrowych
2. Lubię przeglądać okładki, ale odtworzenie tego na iPadzie jest z mojego punktu widzenia jeszcze lepsze niż pudełka na CD
3. Trudno znaleźć dla nich uzasadnienie w czasach, kiedy bezstratnie skompresowana muzyka może być łatwo odtwarzana i przechowywana
4. Tak - przy spadających cenach dysków twardych fani muzyki mogą gromadzić wysokiej jakości nagrania bez obaw o wyczerpanie dostępnej przestrzeni dyskowej

Jan-Eric Persson
Właściciel wytwórni muzycznej Opus 3

Nagrania Jana-Erica są uznawane za jedne z najlepszych niezależnie od tego, czy zostały zarejestrowane w technice analogowej, czy cyfrowej.

1. W ostatniej dekadzie jakość cyfrowego przetwarzania znacznie wzrosła i DSD dorównało analogowi. Już wkrótce zaczniemy produkować analogowe mastery z nagrań cyfrowych, odpowiadając tym samym na rosnące zapotrzebowanie. A więc technologia analogowa nadal ma swoje miejsce.
2. Raczej nie. Z mojego punktu widzenia najlepszym rozwiązaniem było SACD.
3. SACD jest najbardziej wszechstronnym formatem, a DSD najlepszą cyfrową technologią zapisu dźwięku.
4. Dzieciaki słuchają swoich iPodów i tym podobnych urządzeń, ale muzyka jest tylko tłem dla tego, co w danej chwili robią. Nie wróży to dobrze na przyszłość.

Steve Harris
Naim Audio

Steve od dawna działa w branży hi-fi (zarówno analogowej, jak i cyfrowej) i zajmuje się produkcją nagrań cieszących się ogromnym uznaniem.

1. Technika analogowa nadal oferuje bardzo wysoką jakość. Nagrania analogowe różnią się od dobrej klasy nagrań cyfrowych, więc to inżynier/producent/artysta musi podjąć decyzję.
2. Przyzwoite nagranie 16-bit/44,1kHz z CD jest w zupełności satysfakcjonujące, ale większość materiału rejestrowana jest w 24-bitowej rozdzielczości i wolałbym mieć dostęp do nagrań w takiej oryginalnej postaci.
3. Muzyka odtwarzana z płyt nie zawsze jest w pełni satysfakcjonująca, ale "ripy" niektórych płyt brzmią bardzo dobrze.
4. Obawiam się dominacji trendu masterowania z myślą o tanich radiach czy MP3 i stawiania na ilość, a nie jakość. Na szczęście pojawia się tendencja dostarczania materiałów wysokiej jakości z myślą o rynkach niszowych, co daje pewną nadzieję. Dużo jednak zależy od tego, czy oferowany będzie odpowiedni produkt...