równaniu z CD. Format DSD mo¿e przeno-

siæ czterokrotnie wiêcej informacji ni¿ format

CD, wymusi³ wiêc opracowanie odpowie-

dnich p³yt, o nazwie SA-CD. Na p³ycie takiej

znajdzie siê miejsce na dwukana³owy

dŸwiêk (stereo), 6 kana³ów dodatkowych

plus nieruchome obrazy, tekst i inne informa-

cje. Tego wszystkiego jeszcze powszechnie

nie ma, ale bêdzie.

Ka¿dy od razu zapyta: no dobrze, ale czy to

znaczy, ¿e znowu bêdê musia³ kupowaæ

nowy sprzêt w nowym standardzie, a starsze

CD i ca³¹ p³ytotekê mam wyrzuciæ do kosza?

Otó¿ nie. Powsta³y trzy odmiany p³yty Super

Audio CD. P³yty jedno- (4,7 GB) i dwuwar-

stwowe (8,4 GB) zawieraj¹ jedn¹ lub dwie

warstwy o du¿ej gêstoœci upakowania (HD _

High Density), których odtwarzacz zwyk³ych

CD rzeczywiœcie nie czyta, ale istnieje wersja

hybrydowa z jedn¹ warstw¹ HD i jedn¹ war-

stw¹ CD, któr¹ odczyta ka¿dy odtwarzacz

CD. Poniewa¿ odtwarzacze Super Audio

CD odczytuj¹ obecne p³yty CD, starych na-

grañ te¿ nie bêdzie trzeba wyrzucaæ. Sche-

i tanieæ, choæ do poziomu cen sprzêtu CD ra-

czej nie zejdzie.

Super Audio CD to nie proste zwiêkszenie

czêstotliwoœci próbkowania czy dok³adnoœci

kwantyzacji, ale nowe podejœcie do nagry-

wania i odtwarzania danych cyfrowych. Sy-

gna³y dŸwiêkowe s¹ tu przekszta³cane przy

u¿yciu techniki bezpoœredniego strumienia

cyfrowego (DSD _ Direct Stream Digital)

i warto sobie ten skrót zapamiêtaæ. Przebieg

sygna³u analogowego i odpowiadaj¹cy mu

wyjœciowy sygna³ DSD jest przedstawiony

na rys. 1. Jak widaæ, jest to jednobitowy

ci¹g impulsów o modulowanej gêstoœci

(PDM _ Pulse Density Modulation), który po

przepuszczeniu przez analogowy filtr dolno-

przepustowy odtwarza przebieg sygna³u

wejœciowego. A wiêc _ ogromne uproszcze-

nie mechanizmu nagrywania i odtwarzania

(wystarczy porównaæ schematy blokowe

z rys. 2), dziêki któremu pasmo wzros³o do

ponad 100 kHz, a zakres dynamiczny w ca-

³ym paœmie s³yszalnym zwiêkszy³ siê do

ponad 120 dB. To kolejny skok, tak¿e w po-

r

TECHNIKA

RTV

19

Nowy format Super Audio

CD eliminuj¹c

ograniczenia p³yty CD

wprowadza rewolucjê

w sposobie nagrywania

i odtwarzania danych

cyfrowych.

P

opularne p³yty CD zosta³y opraco-

wane jeszcze na pocz¹tku lat 80.

czyli ponad 20 lat temu. To ju¿ ca-

³a epoka. W tym czasie w najbar-

dziej zaawansowanej technice nagrywania

wykorzystano modulacjê impulsowo-kodow¹

(PCM), dlatego zespo³y opracowuj¹ce wów-

czas system CD stara³y siê zastosowaæ j¹

w maksymalnym mo¿liwym zakresie.

Ten maksymalny zakres by³ okreœlony przez

czêstotliwoœæ próbkowania 44,1 kHz i 16-bi-

tow¹ kwantyzacjê, które umo¿liwi³y uzyska-

nie charakterystyki czêstotliwoœciowej i za-

kresu dynamicznego takich, jakie s³yszy

cz³owiek. W porównaniu z poprzednimi me-

todami zapisu i odtwarzania wyniki by³y re-

welacyjne, ale... format CD mimo wszystko

nie umo¿liwia³ i dalej nie umo¿liwia nagrania

i odtworzenia wszystkich dŸwiêków wystêpu-

j¹cych w naturze. Rozwój techniki stworzy³

jednak szanse na opracowanie nowego for-

matu noœnika Ÿród³owego dla przemys³u

muzycznego, eliminuj¹cego istniej¹ce ogra-

niczenia p³yty CD. Taki format powsta³ w

wyniku po³¹czenia wysi³ków tych samych

firm, które prawie æwieræ wieku temu opraco-

wa³y p³ytê CD (Sony i Philips). Jest to Super

Audio CD, którego pewne elementy opisali-

œmy ju¿ kilka lat temu w [1] i [2]. Ten perspek-

tywiczny dla XXI wieku temat wymaga jed-

nak szerszego przybli¿enia od strony tech-

nicznej. Super Audio CD bêdzie siê rozwijaæ

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003

WIÊCEJ O SUPER AUDIO CD

Rys. 1. Analogowy sygna³ wejœciowy i wyjœciowy sygna³ DSD

Rys. 2. Nagrywanie i odtwarzanie w systemie Super Audio CD i konwencjonalnym systemie CD _ f

s

44,1 kHz

r

TECHNIKA

RTV

20

mat wzajemnej kompatybilnoœci p³yt i od-

twarzaczy jest przedstawiony na rys. 3. I je-

szcze jedna dobra wiadomoϾ dla posiada-

czy odtwarzaczy CD: konwencjonalne od-

twarzacze CD i p³yty CD, które zadowalaj¹

wiêkszoœæ u¿ytkowników, bêd¹ produkowa-

ne dalej, a sprzêt i p³yty SA CD na d³ugo po-

zostan¹ produktami dla audiofilów, dla

których jeszcze wiêksza wiernoœæ odtwa-

rzania dŸwiêku to sprawa podstawowa. Adla

wiêkszoœci z nich _ za ka¿de pieni¹dze.

Technika DSD radykalnie ró¿ni siê sposo-

bem przetwarzania sygna³u od konwencjo-

nalnej techniki, stosowanej w systemie CD.

W CD zastosowany jest filtr decymacyjny

(decymacja to operacja stosowana przy

przetwarzaniu sigma-delta, zmniejszaj¹ca

szybkoœæ próbkowania o dowolny wspó³-

czynnik bez zmian w³asnoœci szumowych

i efektywnej rozdzielczoœci) oraz filtr interpo-

luj¹cy, które dodatkowo przetwarzaj¹ na-

grywane dane; w Super Audio CD 1-bitowe

dane s¹ nagrywane bezpoœrednio na p³ytê.

Nie ma tu wiêc szumów ponownej kwanty-

zacji ani têtnieñ w paœmie przepustowym.

Czêstotliwoœæ próbkowania wynosi tu

2,8224 MHz, czyli jest 64 razy wiêksza ni¿

w CD. Oznacza to, ¿e kwantyzacja odbywa

siê 2,8224 miliona razy na sekundê, a choæ

liczba bitów jest 16-krotnie mniejsza ni¿

w CD, dziêki 64 razy wy¿szej czêstotliwoœci

próbkowania iloœæ danych jest czterokrotnie

wiêksza ni¿ w CD, o czym ju¿ wspomniano

na pocz¹tku. Teoretycznie zakres czêstotli-

woœci móg³by siêgn¹æ 1,4 MHz, ale taka

wartoϾ nie jest potrzebna.

Jak ju¿ przedstawiono na rys. 1, analogowy

sygna³ wejœciowy _ w tym przypadku sinu-

soidalny _ jest poddawany 1-bitowej kwan-

tyzacji. Z rys. 4 wynika, ¿e czêœæ po³o¿ona

nad poziomem bazowym jest przetwarzana

na impulsy stanu wysokiego H, a czêœæ po-

ni¿ej poziomu bazowego _ na impulsy sta-

nu niskiego L. Obwiednia tych impulsów

daje przebieg prostok¹tny. Ró¿nica miêdzy

przebiegiem sinusoidalnym (wejœcie) a pro-

stok¹tnym (wyjœcie) to szumy kwantyzacji,

które trzeba zlikwidowaæ za pomoc¹ modu-

latora ”sigma delta”.

Prosty modulator ”sigma delta” jest przedsta-

wiony na rys. 5. Dane wyjœciowe z przetwor-

nika 1-bitowego s¹ porównywane z sygna-

³em wejœciowym, a uzyskane informacje

o b³êdzie, opóŸnione o czas trwania jednej

próbki, trafiaj¹ z powrotem do analogowego

sygna³u wejœciowego jako dane kompensu-

j¹ce. Informacja o b³êdzie jest wiêc dostar-

czana na wejœcie w sposób ci¹g³y, tworz¹c

pêtlê ujemnego sprzê¿enia zwrotnego. Prze-

bieg wyjœciowy dla sinusoidalnego przebie-

gu wejœciowego jest pokazany lini¹ czerwo-

n¹ u do³u rys. 6. Porównuj¹c go z prze-

biegiem na rys. 4 widaæ, ¿e zmiana sygna-

³u na wyjœciu przetwornika z L na H odbywa

siê w dok³adnie okreœlonym czasie. Liczba

impulsów H wzrasta, kiedy sygna³ zbli¿a

siê do maksimum dodatniego, a liczba im-

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003

Parametr

Super Audio CD (jedna warstwa)

CD

Œrednica p³yty

12 cm

12 cm

Gruboœæ p³yty

1,2 mm

1,2 mm

Liczba odtwarzanych stron

Jedna

Jedna

Kodowanie

1-bitowe DSD

16-bitowe liniowe PCM

Czêstotliwoœæ próbkowania

2,8224 MHz

44,1 kHz

PojemnoϾ

4,7 GB

780 MB

Min. d³ugoœæ bitu na p³ycie

0,40

µ

m

0,83

µ

m

Odleg³oœæ miêdzy œcie¿kami

0,74

µ

m

1,6

µ

m

D³ugoœæ fali lasera odczytu

650 nm

780 nm

Apertura soczewki

0,60

0.45

Zakres czêstotliwoœci (wyliczony)

Od DC do ponad 100 kHz

Od DC do 20 kHz

Zakres dynamiczny (wyliczony)

Ponad 120 dB

96 dB

Maksymalny czas nagrania

Ok. 110 min (dwa kana³y)

74 min

Funkcje dodatkowe

Tekst, obraz, film

Tekst

Porównanie formatów Super Audio CD i zwyk³ego CD

Rys. 3. Kompatybilnoœæ p³yt i odtwarzaczy

Rys. 4. Przebiegi w kwantyzatorze 1-bitowym

Rys. 5. Schemat blokowy modulatora sigma-delta

Rys. 6. Sygna³ wyjœciowy modulatora sigma-delta

pulsów L roœnie kiedy, sygna³ zbli¿a siê do

maksimum ujemnego. Sygna³ po modula-

cji ”sigma delta” dok³adnie odtwarza prze-

bieg sygna³u wejœciowego bez konieczno-

œci wykonywania obliczeñ, jak to ma miej-

sce w systemie PCM. To w³aœnie jest

Ÿród³em nazwy ”bezpoœredni strumieñ

cyfrowy”.

Warto tu podkreœliæ, ¿e niezale¿nie od ro-

dzaju przetwarzania (1-bitowe czy ”sig-

ma delta”) ogólna zawartoœæ szumów po-

zostaje bez zmian, ale szumy kwantyza-

cji powstaj¹ce w modulatorze ”sigma del-

ta” s¹ przesuniête w stronê wiêkszych

czêstotliwoœci. Po prostu wchodz¹cy w je-

go sk³ad integrator (”sigma”) dzia³a jak

filtr dolnoprzepustowy, a wyjœciowa charak-

terystyka szumowa ma tu charakter nara-

staj¹cy, z bardzo niskim poziomem w za-

kresie czêstotliwoœci s³yszalnych. W syste-

mie PCM charakterystyka jest p³aska, a jej

poziom zale¿y od liczby bitów. Aby wp³y-

wy szumów w.cz. wyeliminowaæ, wystar-

czy ju¿ tylko przepuœciæ odtwarzane sy-

gna³y przez analogowy filtr dolnoprzepu-

stowy, który równie¿ jest elementem syste-

mu kszta³towania zak³óceñ (rys. 7). Ten

filtr, zainstalowany w odtwarzaczu, decy-

duje te¿ o charakterystyce czêstotliwo-

œciowej.

Sygna³y przetwarzane w formacie DSD

cechuj¹ siê wiêksz¹ szczegó³owoœci¹

obrazu dŸwiêkowego, daj¹c mo¿liwoœæ

rejestracji i odtwarzania wszystkich sk³a-

dowych harmonicznych dŸwiêków z in-

strumentów, odg³osów sali, a tak¿e wszel-

kich dŸwiêków œwiata przyro-

dy. Poprawa szczegó³owoœci

wynika z faktu, ¿e stosowany

w CD system PCM nie umo¿li-

wia rejestracji harmonicznych

wy¿szych ni¿ druga, co ucho,

zw³aszcza wyszkolone, natych-

miast wykrywa.

P³yta

Inna technika, wiêksze mo¿li-

woœci, wiêc i nowa p³yta, która

musi byæ jednak kompatybilna

wymiarowo ze 120-milimetrow¹ CD. Jedna

warstwa zapisu Super Audio CD o wysokiej

gêstoœci (HD) zawiera 4,7 GB, czyli ponad

100 minut nagrania dwukana³owego stereo

(porównanie z jednowarstwow¹ CD poda-

no w tablicy, a rozmieszczenie miejsc na

ró¿ne rodzaje nagrania przedstawiono na

rys. 8). Poniewa¿ p³yta Super Audio CD

umo¿liwia nagranie do 255 utworów, mo¿-

liwe bêdzie np. produkowanie sk³adanek

200 utworów muzycznych czy obszernych

podrêczników do nauki jêzyków. Na po-

wa¿ne przeszkody natrafi tu jednak _ kwit-

n¹ca w CD _ technika podróbek. Ka¿da p³y-

ta SA-CD bêdzie wyposa¿ona w ”znaki

wodne”, zarówno niewidzialne jak i widzial-

ne. Znak widzialny bêdzie np. znakiem

producenta, a znak niewidzialny bêdzie

s³u¿y³ do ochrony praw autorskich. Brak

znaku ochrony uniemo¿liwia odtworzenie

p³yty. Znaki s¹ tworzone w drodze przetwa-

rzania sygna³ów z zag³êbieñ (”pitów”) two-

rz¹cych œcie¿kê dŸwiêkow¹.

Odczyt informacji odbywa siê z jednej

strony, tak jak w CD. Zewnêtrzna war-

stwa p³yt dwustronnych i hybrydowych

jest przezroczysta, umo¿liwiaj¹c zogni-

skowanie wi¹zki lasera na warstwie we-

wnêtrznej. Warto podkreœliæ (rys. 9), ¿e

do odczytu s³u¿¹ dwa lasery, ka¿dy o in-

nej d³ugoœci fali.

Zainteresowanych budow¹ konkretnego

rozwi¹zania odtwarzacza odsy³amy do

artyku³u [2] _ ci¹gle jeszcze aktualnego.

n

Leon Kossobudzki

Opracowano na podstawie materia³u firmy Sony:

”Format audio nowej generacji Super Audio CD”

L I T E R A T U R A

[1] Kossobudzki L.: Super Audio CD, rozwi¹zanie

techniczne. ReAV nr 6/1999, str. 40

÷

42

[2] Kossobudzki L.: Pierwszy odtwarzacz p³yt Super

Audio CD. ReAV nr 12/1999, str. 52

÷

54

Rys. 7. Wp³yw kszta³towania zak³óceñ na ich poziom

Rys. 8. Rozmieszczenie nagrañ w warstwie HD

p³yty Super Audio CD

Rys. 9. Odczyt sygna³u z p³yty hybrydowej

(Super Audio CD + CD)

Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003