24 бита: заблуждения
В последнее десятилетие все больше и больше музыки стало доступно в таких цифровых форматах высокой четкости (HD), как 24-бита 192 кГц (файлы для загрузки), 24-бита 192 кГц потоковые MQA и DSD.Все чаще звучат разговоры о разработке нового 32-битного стандарта 384 кГц для музыки в формате HD. Самое интересное, что не все согласны с тем, что большая разрядность и более высокая частота дискретизации — это хорошо.
Эта статья объяснит математику и физику цифровой записи и музыкального воспроизведения с точки зрения непрофессионала, с тем чтобы вы сами могли решить, является ли это прогрессом в цифровом аудио или просто маркетинговым безумием.
Если вы не склонны верить утверждениям, содержащимся в этой статье и противоречащим многим рекламным заявлениям, мифам и легендам в аудиофильской индустрии, не стесняйтесь проверять ссылки на материалы в конце статьи, написанные такими инженерами, как Dan Lavry и компаниями, которые производят электронику, используемую в студиях звукозаписи, таких как Antelope Audio.
Если вы не хотите разбираться со множеством технических данных, вы можете сразу перейти к выводам, где я затронул все основные моменты. А также вы также можете обратиться к другой моей статье на тему « DSD и PCM: Мифы и правда».
Биты, байты и цифровые слова:
Так почему же же 24-битное преобразование стало новым стандартом?
Когда цифровые данные передаются и обрабатываются, они перемещаются как байты, а не как отдельные биты. Байт содержит 8 бит, а байт известен как цифровое слово. Вот почему все в цифровом мире делится на 8. Таким образом,16 бит равны2 байтам и 24 бита равны 3 байтам. Соответственно 16 бит и 24 бита стали стандартом, потому что каждый из них представляет собой цифровое слово.
Историческая справка: 16-битный формат существовал задолго до того, как 16-битные цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) стали коммерчески доступными. То же самое относится и к 24-битному формату.
Частота дискретизации и битовая разрядность:
Процесс преобразования аналоговых звуковых волн в цифровой вид известен как «квантование», которое часто представляется в виде точек, нанесенных на ось XY. Горизонтальная ось X представляет собой время или частоту дискретизации, а вертикальная ось Y амплитуду или битовую разрядность. На графике ниже форма белой волны представляет квантованный музыкальный сигнал, а зеленый шаговый шаблон, наложенный на форму белой волны, представляет квантованные значения.
Частота дискретизации — это частота, на которой дискретизируется амплитуда аналоговой звуковой волны. Частота дискретизации 44,1 кГц, применяемая для компакт-дисков, дискретизирует амплитуду музыки 44100 раз в секунду. Частота дискретизации 96 кГц, используемая в 7.1-канальном аудио, встроенном в DVD и Blu-Ray, дискретизирует амплитуду 96000 раз в секунду. А частота дискретизации 192 кГц, используемая в музыкальных файлах HD и MQA, дискретизирует амплитуду 192000 раз в секунду.
Битовая разрядность (или битовая глубина) понимается как число шагов, на которые амплитуда аналоговой звуковой волны делится в каждой выборке. 16-битная запись имеет 65 536 шагов, 20-битная запись — 1 048 576 шагов, а 24-битная запись -16 777 216 шагов. Да, вы правильно прочитали: 24-битная запись имеет 256 раз больше, чем 16-битная. Больше в 256 раз. Разве это не кажется слишком большой цифрой?
Чем больше бит и/или чем выше частота дискретизации, используемая при квантовании, тем выше теоретическое разрешение аудио. Таким образом, 16-битный CD Red Book с частотой 44,1 кГц имеет 28 901 376 потенциальных точек выборки каждую секунду (44 100 x 65 536). 20-битная запись с частотой 96 кГц имеет 1 006 632 900 потенциальных точек выборки каждую секунду (96 000 x 1 048 576).
Это означает, что 20-битная запись 96 кГц имеет разрешение примерно в 33 раза большее, чем 16-битная 44,1 кГц, а 24-битная запись 192 кГц в 256 раз больше. Согласитесь, немалая разница.
Так почему же записи в формате HD звучат лишь немногим лучше, чем записи в 16-бит 44,1 кГц? Позже в этой статье я объясню разницу между теоретическим и фактическим разрешением.
Динамический диапазон и битовая разрядность:
Динамический диапазон — это разница в громкости между самым тихим и самым громким пассажем, обычно измеряемая в децибелах (дБ).
• 16-битные CD- диски Red Book имеют динамический диапазон более 96 дБ.
• 20-битная цифровая мастер-лента имеет динамический диапазон более 120 дБ.
• Современные 24-битные HD форматы имеют динамический диапазон более 144 дБ.
Но подождите, разве фоновый шум в тихой комнате не составляет 30 дБ?
Итак, на самом деле вы не можете услышать разницу между динамическим диапазоном 16-битной записи и 20-битной записи, если вы не увеличите громкость достаточно высоко, выше фонового шума в 30 дБ, что приведет к необратимой потере слуха. А прослушивание динамического диапазона 24-битной записи (144 дБ) на самом деле изначально может привести к необратимой потере слуха.
Так с какой стати на земле создали цифровой формат записи музыки, который даже нельзя слушать.
Позже в этой статье я объясню, как использование безумно высокой битовой разрядности и частоты дискретизации, значительно превышающей диапазон человеческого слуха, используется во время процесса редактирования, микширования и мастеринга для снижения шума в коммерческих записях значительно более низкого разрешения, которые мы слушаем.
Для справки. Вот несколько примеров динамического диапазона, которые большинство из нас может представить:
• Звук комара, летящего в 3 метрах, составляет 0 дБ.
• Гул лампы накаливания на расстоянии 1 метра составляет 10 дБ.
• Фоновый шум в тихой студии звукозаписи составляет 20 дБ.
• Фоновый шум в обычной тихой комнате составляет около 30 дБ.
• Ранняя аналоговая мастер-лента имела динамический диапазон всего 60 дБ.
• Лонгплей формата microgroove имеют динамический диапазон 65 дБ.
• Dolby увеличил динамический диапазон аналоговой мастер-ленты до 90 дБ.
• Звук отбойного молотка на расстоянии 1 метра составляет 110 дБ.
• Звук полного оркестра на расстоянии 1 метра составляет 120 дБ.
• Громкость более 130 дБ вызывает непоправимую потерю слуха.
• Звук реактивного самолета при взлете составляет 140 дБ.
Конечно, динамический диапазон и шум квантования не являются единственными факторами, которые необходимо учитывать, наряду с этим минимальный уровень шума в источнике питания вашего ЦАП будет определять наименьшие значащие биты (LSB), которые могут быть разрешены на выходе вашего ЦАП, несмотря на любую битовую глубину, которую указал производитель.
Извините, что разрываю чей-то шаблон и привожу к выводам, противоречащим рекламной шумихе, мифам и легендам в индустрии аудиофилов.Однако делаю это только потому, что если ЦАП способен декодировать 24-битный код, это вовсе не означает, что он способен на самом деле реализовать данную битовую глубину на выходном каскаде.
И даже не просите меня рассматривать ЦАП с выходными ламповыми каскадами: минимальный уровень шума на выходном каскаде лампы составляет около 90 дБ, что означает, что бы не утверждали производители, они не смогут реализовать даже 16-битную запись.
Уровень шума:
Показатель динамического диапазона выражает самый громкий звук, а минимальный уровень шума — самый тихий. Если вы хотите услышать LSB на записи, громкость (или напряжение) этого бита должна быть выше минимального уровня шума как комнаты, так и оборудования вашей системы.
Мы уже знаем, что в тихой комнате уровень фонового шума около 30 дБ, что заставляет вас делать громкость выше. Даже после того, как оборудование воспроизводит шум, превышающий 30 дБ, источник питания электроники будет маскировать LSB, если пиковое напряжение шума в источнике питания не меньше, чем напряжение LSB.
С учетом того, что выходное напряжение на ЦАП равно 2,5 В (выше среднего), ниже приведены напряжения источника питания, шум которого должен быть ниже, чтобы слышать LSB:
• 16-бит, напряжение минимального шума LSB = 76 мкВ
• 18-бит, напряжение минимального шума LSB = 19 мкВ
• 20-бит, напряжение минимального шума LSB = 4,75 мкВ
• 24-бит, напряжение минимального шума LSB = 0,3 мкВ
Для примера, обычный регулятор LM317, который является промышленным стандартом качества и используется в большинстве коммерческих электронных устройств, имеет пиковый шум около 150 мкВ, а самые низкие в мире источники шума (мы сейчас говорим о НАСА, а не аудиофильском оборудовании) имеют напряжение пикового шума около 5 мкВ.
По мнению экспертов, которые производят лучшие микросхемы ЦАП, резисторы и регуляторы мощности, теоретически нет способа создать электронику, способную различать разрешение более 20 бит (динамический диапазон 120 дБ). Любая компания, которая заявляет о более чем 20-битном разрешения своего ЦАПа, просто вводит всех в заблуждение. Да, они могут декодировать 24 бита, потому что 24-битное разрешение существует в программном обеспечении, но выход их ЦАП имеет разрешение и динамический диапазон менее 20 бит.
Теоретическое и фактическое разрешение:
Согласно математической теории, при дискретизации более чем в два раза превышающей максимальную слышимую частоту, на тех же кривых отображается только больше точек, когда цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый сигнал. Поэтому для правильного сэмплирования ноты с частотой 20 кГц (максимальной частоты, которую может слышать человеческое ухо) вам необходимо сэмплировать с частотой выше 40 кГц. Частота дискретизации 44,1 кГц на CD была разработана для точной записи звука с частотой 20 кГц.
Так почему же возникла необходимость в более высоких частотах дискретизации, чем 44,1 кГц, если эти математические теории верны?
Одной из причин является шум квантования. Поскольку шум квантования присутствует около частоты дискретизации записи PCM, запись 44,1 кГц имеет шум квантования на одну октаву выше предела человеческого слуха -20 кГц. Этот шум квантования необходимо отфильтровать, поэтому все ЦАП имеют фильтр нижних частот на выходе. Поскольку шум квантования всего на одну октаву выше слышимого диапазона, используемые фильтры должны иметь очень крутой срез, чтобы не отфильтровывать нужные высокие частоты. Эти крутые наклонные цифровые фильтры низких частот широко известны как «brick wall»-фильтры.
Хотя вы много слышали о «brick wall»-фильтрах в ранних высококлассных CD-плеерах, вызывающих слышимое искажение, факт в том, что это являлось причиной неестественно звучащих высоких частот. Большая жесткого, резкого, неестественного звучания высоких частот в ранних цифровых записях связана с недостатками источников питания и проблемами в процессе записи, а не с «brick wall»-фильтрами/
Извините, что разорвал ваш шаблон, но, несмотря на то, во что верят многие аудиофилы, менее одного человека из тысячи могут слышать что-либо выше 20 кГц в детстве, и почти нет людей старше 40 лет, которые могли бы слышать намного выше 15кГц.
Конечно, если для записи, микширования и мастеринга используются более высокая частота дискретизации и большая битовая разрядность,тогда существует гораздо меньше шумов квантования, что используется для последующего преобразования в коммерческие форматы, которые мы слушаем и которые имеют значительно более низкое разрешение.
Вот почему профессиональные форматы, такие как 24-битный DXD с частотой 352,8 кГц, были изначально разработаны для студий звукозаписи. Одна из причин, по которой были разработаны 24-битные микросхемы ЦАП, заключалась в том, чтобы инженеры могли редактировать, микшировать и делать мастеринг в режиме реального времени, не уменьшая частоту дискретизации. На самом деле нет никакой рациональной необходимости в использовании 24-битного динамического диапазона в коммерческих записях, и ни одна компания никогда не выпускала коммерческую запись сколь либо близкую к динамическому диапазону 24 бита( 144дБ).
Несмотря на то, что многие записи преподносятся нам как 24-битные, все 24 бита динамического диапазона используются только в студии звукозаписи для уменьшения шума квантования. Потребительская версия большинства так называемых 24-битных записей обрабатывается с динамическим диапазоном 16-битной записи (96 дБ) или меньше. Обратитесь к приведенному выше разделу о динамическом диапазоне. Если бы продавались коммерческие записи с динамическим диапазоном более 96 дБ, вы бы не услышали ни одной детали нижнего диапазона выше уровня шума в 30 дБ вашей комнаты, и пики могли бы отправить в перегрузку большинство усилителей на очень низкой громкости. Подробнее о том, как динамический диапазон влияет на электронику, см. В следующем разделе «Требования к воспроизводящему оборудованию».
Так что же студии делают с коммерчески доступными так называемыми 24-битными записями? Они просто заполняют некоторые из наиболее значимых бит (MSB) единицами, а некоторые из наименее значимых битов (LSB) — нулями, чтобы увеличить общую громкость до заявленного уровня. Они могли бы выпустить запись с идентичным звучанием в 16 битах, но наивные потребители настаивают на 24 битах, поэтому звукозаписывающие компании обманывают их, помещая 16-битный динамический диапазон в 24-битный фрейм. Как же это глупо…
DSD не исключение. Любой тип цифровой записи производит шум квантования, который требует фильтра нижних частот на выходе преобразователя. Но вместо того, чтобы шум квантования был сосредоточен вокруг частоты дискретизации, такие форматы, как PCM и DSD64 SACD имеют значительное количество шума чуть выше 25 кГц, что показано на рисунке ниже.
Чтобы обойти эту проблему, однобитные DSD ЦАПы имеют алгоритмы формирования шума и повышают дискретизацию до неоправданно высоких частот, чтобы переместить шум квантования далеко за пределы человеческого слуха. Это позволит фильтровать шум квантования с минимальным искажением в слышимом спектре частот. Вот одна из причин, почему программный проигрыватель, который преобразует SACD PCM или DSD64 в Double-Rate DSD или Quad-Rate DSD, приводит к такому улучшению производительности ЦАП с одним битом. Более подробную информацию по этой теме можно найти в нашей статье «DSD и PCM: Мифы и правда».
Еще одной проблемой применения более высокой частоты дискретизации и большей битовой глубины являются системные ресурсы. Оба этих параметра требуют больше места для хранения, больше оперативной памяти и более быстрых процессоров. Хотя оптимальная частота дискретизации и битовая глубина, необходимые для детального воспроизведения музыки, являются предметом острых дискуссий, нет сомнений в том, что чрезмерное высокое разрешение расходует системные ресурсы и излишне увеличивает размер и стоимость компонентов.
Требования к воспроизводящему оборудованию:
Существует очень мало систем (даже среди самых лучших), которые могут точно воспроизводить полный динамический диапазон 120 дБ 20-битной записи. Вот почему так мало записей выпускается в динамическом диапазоне 96 дБ 16-битной записи, не говоря уже о динамическом диапазоне 144 дБ 24-битной записи. Имейте в виду, что максимальный динамический диапазон записей LP составляет всего около 60 дБ. Даже аналоговые мастер-ленты Dolby имели максимальный динамический диапазон около 90 дБ.
Итак, чтобы музыка в 120 дБ могла воспроизводиться на большинстве высококачественных аудиофильских систем, студии звукозаписи необходимо ограничить динамический диапазон, используя процесс, называемый «динамическое сжатие». Процесс динамического сжатия делает более тихие пассажи относительно громче, а более громкие – относительно тише. Это облегчает распознавание деталей в нижнем диапазоне более громких пассажей. Динамическое сжатие является частью того, что дает записанной музыке иллюзию большей детализации и фокусировки, чем у живой музыки.
В записи LP и стандартизированных аналоговых лент существовало четкое правило: соотношение между мощностью усилителя и его громкости в децибелах являлось логарифмическим, а не линейным. Производители знали, что для увеличения потребляемой мощности на 3 дБ потребителям необходимо удвоить мощность усилителя и удвоить мощность динамиков. Таким образом, сохранение динамического диапазона домашнего аудио ниже 60 дБ было главной вещью, которая позволяла оборудованию для домашних развлечений быть доступным по цене, иметь скромный размер и относительно высокую точность воспроизведения. Правда заключается в том, что большинство коммерческих HD-записей имеют динамический диапазон, который намеренно меньше половины динамического диапазона 144 дБ 24-битной записи и даже значительно меньше динамического диапазона 96 дБ 16-битной записи.
Задумайтесь. Динамический диапазон 60 дБ поверх фонового шума 30 дБ равен 90 дБ. Насколько громче 90 дБ вы хотите слушать музыку у себя дома? Что еще более важно, для каждого дополнительного 3 дБ, на который вы увеличиваете динамический диапазон, вам потребуется удвоить мощность вашего усилителя и удвоить выходную мощность ваших динамиков.
При прочих равных условиях, для перехода от 90 дБ до 99 дБ вам потребуется усилитель с 8-кратной мощностью и динамики с 8-кратным выходом. Чтобы точно воспроизвести запись при 120 дБ, вам понадобится усилитель с 1000-кратной мощностью и громкоговорители с 1000-кратной выходной мощностью, нежели при воспроизведении той же записи при 90 дБ. Не знаю как вам, но такая система точно не подойдет ни моей комнате, ни моему бюджету.
Резюме:
Итак, открыт ли ваш слух по-настоящему?
Когда цифровые данные передаются и обрабатываются, они перемещаются в байтах, а не как отдельные биты. Байт содержит 8 бит и известен как цифровое слово. И 16 бит, и 24 бита стали стандартом, потому что каждый представлял следующее цифровое слово.
Битовая глубина представлена как число шагов в амплитуде цифровой записи. 16-битная запись имеет 65 536 шагов, 20-битная запись имеет 1 048 576 шагов, а 24-битная запись имеет 16 777 216 шагов.
Частота дискретизации — это частота, на которой дискретизируется амплитуда аналоговой звуковой волны. При частоте дискретизации 44,1 кГц, амплитуда музыки дискретизируется 44100 раз в секунду. При частоте дискретизации 96 кГц — 96 000 раз в секунду. При частоте дискретизации 192 кГц — 192 000 раз в секунду.
Чем больше бит и/или чем выше частота дискретизации, используемая при квантовании, тем выше теоретическое разрешение. Таким образом, 16-битный CD Red Book с частотой 44,1 кГц имеет 28 901 376 потенциальных точек выборки в секунду (44 100 x 65 536). 20-битная запись с частотой 96 кГц имеет 1 006 632 900 потенциальных точек выборки в секунду (96 000 x 1 048 576). Это означает, что 20-битные записи 96 кГц имеют разрешение примерно в 33 раза выше 16-битной записи 44,1 кГц, а 24-битная запись 192 кГц примерно в 256 раз выше 16-битной записи 44,1 кГц. Немаленькая разница.
По мнению экспертов, которые производят лучшие микросхемы ЦАП, резисторы и регуляторы мощности, теоретически нет способа создать электронику, способную различать разрешение более 20 бит (динамический диапазон 120 дБ). Любая компания, которая заявляет о более чем 20-битном разрешения своего ЦАПа, просто вводит всех в заблуждение. Да, они могут декодировать 24 бита, потому что 24-битное разрешение существует в программном обеспечении, но выход их ЦАП имеет разрешение и динамический диапазон менее 20 бит.
Для воспроизведения в любом месте вблизи динамического диапазона, предлагаемого этими форматами с высоким разрешением, вам потребуется усиление, в несколько раз превышающее мощность и долю минимального уровня шума по сравнению с тем, что в настоящее время доступно для аудиофилов на рынке.
Конечно, это не учитывает ни значительного количества искажений, добавляемых сигнальными кабелями, усилителями и динамиками, ни фонового шума в комнате для прослушивания, которые не позволяют слышать полное разрешение и динамический диапазон даже на 16-битной записи.
Чтобы услышать разницу в динамическом диапазоне между 16-битной и 20-битной записью в обычной тихой комнате для прослушивания, вам придется воспроизводить музыку настолько громко, что это приведет к постоянной потере слуха.
Когда люди утверждают, что слышат разницу между 16-битной, 20-битной и 24-битной записью, на самом деле они ощущают разницу не в глубине звука, а в качестве цифрового мастеринга. Дело в том, что даже большинство так называемых 24-битных записей справляются с динамическим диапазоном менее чем 96 дБ 16-битной записи (и это правильно).
Так что же они делают с так называемыми коммерческими 24-битными записями? Они просто заполняют некоторые из наиболее значимых битов (MSB) единицами, а некоторые из наименее значимых битов (LSB) — нулями, чтобы увеличить общую громкость до необходимого уровня. Они могли бы выпустить запись с идентичным звучанием в 16 битах, но наивные потребители настаивают на 24 битах, поэтому звукозаписывающие компании обманывают их, помещая 16-битный динамический диапазон в 24-битном фрейме. Как же это глупо.
Отчасти причина, по которой некоторые HD записи звучат стерильно, связана с более низким динамическим сжатием, которое не позволяет тонким деталям низкочастотного спектра подниматься выше минимального уровня шума. Когда музыка динамически сжимается, тогда вы получаете возможность слушать ее с разумной громкостью и при этом слышать все тонкие гармонические сигналы, раскрывающие тон, тембр и акустику помещения в записи.
Еще одной проблемой применения более высокой частоты дискретизации и большей битовой глубины являются системные ресурсы. Оба этих параметра требуют больше места для хранения, больше оперативной памяти и более быстрых процессоров. Хотя оптимальная частота дискретизации и битовая глубина, необходимые для детального воспроизведения музыки, являются предметом острых дискуссий, нет сомнений в том, что чрезмерное высокое разрешение расходует системные ресурсы и излишне увеличивает размер и стоимость компонентов.
Конечно, большинство записей созданы таким образом, чтобы они лучше всего звучали на автомобильной стереосистеме или портативном устройстве, а не на высококачественной аудиофильском оборудовании. Общеизвестно, что артисты и продюсеры часто прослушивают треки на MP3-плеере или автомобильной стереосистеме, прежде чем одобрить финальный микс.
Качество записи играет гораздо более важную роль, чем формат или разрешение, в котором она распространяется на рынке. Чтобы увеличить прибыль, руководители современных студий звукозаписи настаивали на исправлении ошибок лишь на этапе постпроизводства, что значительно ухудшало качество оригинальных мастер-лент.
И напротив, некоторые из моих любимых цифровых записей были созданы в цифровом виде из аналоговых записей 1950-х годов. Они не имеют такого низкого фонового шума, как современные. Все потому, что эти записи «Золотого века» часто делались за один раз с минимумом пост-продакшна и редактирования. Этот метод старой школы дает органический характер звука и когерентные гармоники помещения, которые невозможно воспроизвести любым другим способом. Понятно почему так много аудиофилов ценят эти записи.
И наконец, чем проще тракт прохождения сигнала и чем меньше шум источника питания, тем лучше цифро-аналоговое преобразование.
Сколько децибел в одном бите информации
Это способ представления данных внутри компьютера и вид, в котором данные передаются по сети различными системами счисления и логикой, используемой в компьютерах.
Двоичное представление данных.
Компьютер — это электромеханическое устройство, состоящее из электрических переключателей, управляемых электрическим током. В зависимости от положения этих переключателей, компьютер производит вычисления и выполняет различные необходимые действия. Поскольку компьютер реагирует на импульсы электрического тока, то цепи компьютера могут обрабатывать два состояния: наличие или отсутствие тока (соответственно 1 и 0).
Компьютер для работы с данными и их хранения использует электронные переключатели — триггеры, которые также могут находиться в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. Компьютеры воспринимают и обрабатывают данные в формате с двумя состояниями (бинарном формате). Единица представляется замкнутым состоянием переключателя или наличием электрического тока, 0 — соответственно разомкнутым переключателем или отсутствием тока. Единица и нуль описывают два возможных состояния электронных компонентов в компьютере и называются двоичными цифрами, или битами.
Американский стандартный код обмена информацией (American standard code for information interchange — ASCII) является наиболее распространенным кодом для представления буквенно-цифровых данных в компьютере. В нем используются двоичные числа для представления символов, которые пользователь печатает на клавиатуре. Когда компьютер пересылает информацию через сеть, то электрические, оптические или радиосигналы передают соответствующие значения: 1 или 0. Каждому символу соответствует уникальная восьмибитовая комбинация для представления данных.
Биты, байты и единицы измерения.
Биты — это двоичные цифры, каждая из которых имеет значение 0 или 1. В компьютере им соответствуют положения переключателей (включен/выключен) или на личие/отсутствие электрического сигнала, светового импульса или радиоволны.
─ Двоичный нуль может быть представлен электрическим напряжением 0 В (Вольт).
─ Двоичная единица может быть представлена электрическим напряжением +5 В.
Компьютеры используют группы двоичных цифр, которые состоят из 8 битов. Такая группа из 8 битов называется байтом. В компьютере 1 байт является минимальной адресуемой ячейкой запоминающего устройства. Ячейка запоминающего устройства содержит значение или один символ данных, например, ASCII код. Общее число комбинаций из восьми переключателей равно 256 (или 28). Поэтому значения байта лежат в диапазоне от 0 до 255. Следовательно, байт — это один из самых важных для понимания принципов работы компьютеров и сетей (табл. 1).
Зачастую в англоязычной литературе возникает путаница с обозначением величин KB и Kb, MB и Mb (Кбайт и Кбит, Мбайт и Мбит). Запомните, что для правильных вычислений с использованием скорости передачи данных необходимо различать килобиты и килобайты. Например, программное обеспечение модемов обычно показывает скорость соединения в килобитах в секунду (например, 45 Кбит/с, или 45 Кbps). В то же время популярные браузеры показывают скорость загрузки файла в килобайтах в секунду. Разная запись означает, что при скорости соединения 45 Кбит/с максимальная скорость загрузки файла будет равна приблизительно 5,6 Кбайт/с. На практике скорость загрузки файла будет меньше за счет разных факторов и служб, которые используют полезную пропускную способность канала. Необходимо также помнить, что размер файлов обычно выражается в байтах, в то время как пропускная способность локальной сети и соединений распределенных сетей в килобитах в секунду (Кбит/с) или мегабитах в секунду (Мбит/с). Необходимо умножить количество байтов в файле на 8, чтобы правильно определить время загрузки файла.
Единица измерения | Байты | Биты |
---|---|---|
Бит (b, или бит) | 1/8 | 1 |
Байт (B, или байт) | 1 | 8 |
Килобайт (KB, или Кбайт) | 1024 (≈ 1000 байтов) | 8096 (≈ 8000 битов) |
Мегабайт (MB, или Мбайт) | ≈ 1 миллион | ≈ 8 миллионов |
Гигабайт (GB, или Гбайт) | ≈ 1 миллиард | ≈ 8 миллиардов |
Терабайт (TB, или Тбайт) | ≈ 1 триллион | ≈ 8 триллионов |
Таблица 1. Единицы информации .
Рассмотрим часто используемые компьютерные единицы измерения.
— называется наименьший блок данных в компьютере. Бит принимает значение 1 или 0 и является цифрой двоичного формата данных, который используется компьютером для хранения, передачи и обработки данных.
— это единица измерения, которая используется для описания размеров файлов данных на жестком диске компьютера или другом носителе информации; для описания количества данных, переданных через сеть. 1 байт равен 8 битам.
— это 1024 бита, при оценочных вычислениях используется значение в 1000 битов.
— это 1024 байта, при оценочных вычислениях используется значение в 1000 байта.
— равен приблизительно 1 миллиону битов.
— равен 1 048 576 байтов, при оценочных вычислениях используется значение в 1 миллион байтов. Мегабайт иногда сокращенно называют ‘‘мег’’. Объем оперативной памяти в большинстве компьютеров обычно измеряется в мегабайтах. Большие файлы имеют размер порядка нескольких мегабайт.
равен приблизительно 1 миллиарду байтов. Иногда используется сокращенное название ‘‘гиг’’. Емкость накопителей на жестких дисках в большинстве персональных компьютеров измеряется в гигабайтах.
— равен приблизительно 1 триллиону байтов. Емкость накопителей на жестких дисках в высокопроизводительных системах измеряется в терабайтах.
— это одна тысяча битов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение.
— это одна тысяча байтов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение.
— это один миллион битов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение. Обычное соединение технологии Ethernet работает со скоростью 10 Мбит/с.
— это один миллион байтов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение.
— это один миллиард битов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение. Соединение 10 Гбит/с Ethernet работает со скоростью 10 Гбит/с.
— это один триллион битов в секунду. Распространенная единица измерения количества передаваемых данных через сетевое соединение. Некоторые высокоскоростные магистральные узлы сети Internet работают на скорости более 1 Тбит/с.
— это единица измерения частоты. Описывает скорость изменения состояния периодического процесса в звуковых волнах, переменном токе или периодических процессах, в которых за время, равное 1 с, выполняется один цикл процесса (период).
— равен миллиону периодов в секунду. Распространенная единица измерения скорости работы микросхем, таких, как компьютерные микропроцессоры. Некоторые беспроводные телефоны работают в том же диапазоне частот, что и процессоры (например, 900 МГц).
— равен тысяче миллионов, или миллиарду (1 000 000 000) периодов в секунду. Это распространенная единица измерения скорости микросхем, таких, как компьютерные микропроцессоры. Некоторые беспроводные телефоны и локальные сети работают в этом диапазоне (например, беспроводные сети стандарта 802.11b работают на частоте 2,4 ГГц).
Процессоры персональных компьютеров постоянно становятся все более быстрыми. Микропроцессоры, которые использовались в 1980-х годах, в основном работали на частоте менее 10 МГц (у оригинального компьютера корпорации IBM частота процессора составляла 4,77 МГц). Используемые в настоящее время процессоры персональных компьютеров достигли скорости свыше 3 ГГц. Ведутся разработки более высокоскоростных процессоров. Поскольку в основе аппаратной логики компьютеров применяются переключатели, бинарные цифры и бинарные числа являются для него ‘‘родным языком’’. Люди используют десятичную систему в повседневной жизни, и им тяжело запомнить длинные последовательности нулей и единиц, которые использует компьютер. Следовательно, компьютерные бинарные числа необходимо переводить в десятичные. Иногда двоичные числа требуется перевести в шестнадцатеричные. Они используются для записи большого количества двоичных цифр с помощью нескольких шестнадцатеричных, что позволяет их запоминать.
Двоичный и десятичный эквиваленты шестнадцатеричных цифр.
— свернуть+ развернуть | |||||
+ посмотреть весь список | |||||
Десятичное | Шестнадцатеричное | Двоичное | Десятичное | Шестнадцатеричное | Двоичное |
0 | 0 | 0 | 128 | 80 | 10000000 |
1 | 1 | 1 | 129 | 81 | 10000001 |
2 | 2 | 10 | 130 | 82 | 10000010 |
3 | 3 | 11 | 131 | 83 | 10000011 |
4 | 4 | 100 | 132 | 84 | 10000100 |
5 | 5 | 101 | 133 | 85 | 10000101 |
6 | 6 | 110 | 134 | 86 | 10000110 |
7 | 7 | 111 | 135 | 87 | 10000111 |
8 | 8 | 1000 | 136 | 88 | 10001000 |
9 | 9 | 1001 | 137 | 89 | 10001001 |
10 | a | 1010 | 138 | 8a | 10001010 |
11 | b | 1011 | 139 | 8b | 10001011 |
12 | c | 1100 | 140 | 8c | 10001100 |
13 | d | 1101 | 141 | 8d | 10001101 |
14 | e | 1110 | 142 | 8e | 10001110 |
15 | f | 1111 | 143 | 8f | 10001111 |
16 | 10 | 10000 | 144 | 90 | 10010000 |
17 | 11 | 10001 | 145 | 91 | 10010001 |
18 | 12 | 10010 | 146 | 92 | 10010010 |
19 | 13 | 10011 | 147 | 93 | 10010011 |
20 | 14 | 10100 | 148 | 94 | 10010100 |
21 | 15 | 10101 | 149 | 95 | 10010101 |
22 | 16 | 10110 | 150 | 96 | 10010110 |
23 | 17 | 10111 | 151 | 97 | 10010111 |
24 | 18 | 11000 | 152 | 98 | 10011000 |
25 | 19 | 11001 | 153 | 99 | 10011001 |
26 | 1a | 11010 | 154 | 9a | 10011010 |
27 | 1b | 11011 | 155 | 9b | 10011011 |
28 | 1c | 11100 | 156 | 9c | 10011100 |
29 | 1d | 11101 | 157 | 9d | 10011101 |
30 | 1e | 11110 | 158 | 9e | 10011110 |
31 | 1f | 11111 | 159 | 9f | 10011111 |
32 | 20 | 100000 | 160 | a0 | 10100000 |
33 | 21 | 100001 | 161 | a1 | 10100001 |
34 | 22 | 100010 | 162 | a2 | 10100010 |
35 | 23 | 100011 | 163 | a3 | 10100011 |
36 | 24 | 100100 | 164 | a4 | 10100100 |
37 | 25 | 100101 | 165 | a5 | 10100101 |
38 | 26 | 100110 | 166 | a6 | 10100110 |
39 | 27 | 100111 | 167 | a7 | 10100111 |
40 | 28 | 101000 | 168 | a8 | 10101000 |
41 | 29 | 101001 | 169 | a9 | 10101001 |
42 | 2a | 101010 | 170 | aa | 10101010 |
43 | 2b | 101011 | 171 | ab | 10101011 |
44 | 2c | 101100 | 172 | ac | 10101100 |
45 | 2d | 101101 | 173 | ad | 10101101 |
46 | 2e | 101110 | 174 | ae | 10101110 |
47 | 2f | 101111 | 175 | af | 10101111 |
48 | 30 | 110000 | 176 | b0 | 10110000 |
49 | 31 | 110001 | 177 | b1 | 10110001 |
50 | 32 | 110010 | 178 | b2 | 10110010 |
51 | 33 | 110011 | 179 | b3 | 10110011 |
52 | 34 | 110100 | 180 | b4 | 10110100 |
53 | 35 | 110101 | 181 | b5 | 10110101 |
54 | 36 | 110110 | 182 | b6 | 10110110 |
55 | 37 | 110111 | 183 | b7 | 10110111 |
56 | 38 | 111000 | 184 | b8 | 10111000 |
57 | 39 | 111001 | 185 | b9 | 10111001 |
58 | 3a | 111010 | 186 | ba | 10111010 |
59 | 3b | 111011 | 187 | bb | 10111011 |
60 | 3c | 111100 | 188 | bc | 10111100 |
61 | 3d | 111101 | 189 | bd | 10111101 |
62 | 3e | 111110 | 190 | be | 10111110 |
63 | 3f | 111111 | 191 | bf | 10111111 |
64 | 40 | 1000000 | 192 | c0 | 11000000 |
65 | 41 | 1000001 | 193 | c1 | 11000001 |
66 | 42 | 1000010 | 194 | c2 | 11000010 |
67 | 43 | 1000011 | 195 | c3 | 11000011 |
68 | 44 | 1000100 | 196 | c4 | 11000100 |
69 | 45 | 1000101 | 197 | c5 | 11000101 |
70 | 46 | 1000110 | 198 | c6 | 11000110 |
71 | 47 | 1000111 | 199 | c7 | 11000111 |
72 | 48 | 1001000 | 200 | c8 | 11001000 |
73 | 49 | 1001001 | 201 | c9 | 11001001 |
74 | 4a | 1001010 | 202 | ca | 11001010 |
75 | 4b | 1001011 | 203 | cb | 11001011 |
76 | 4c | 1001100 | 204 | cc | 11001100 |
77 | 4d | 1001101 | 205 | cd | 11001101 |
78 | 4e | 1001110 | 206 | ce | 11001110 |
79 | 4f | 1001111 | 207 | cf | 11001111 |
80 | 50 | 1010000 | 208 | d0 | 11010000 |
81 | 51 | 1010001 | 209 | d1 | 11010001 |
82 | 52 | 1010010 | 210 | d2 | 11010010 |
83 | 53 | 1010011 | 211 | d3 | 11010011 |
84 | 54 | 1010100 | 212 | d4 | 11010100 |
85 | 55 | 1010101 | 213 | d5 | 11010101 |
86 | 56 | 1010110 | 214 | d6 | 11010110 |
87 | 57 | 1010111 | 215 | d7 | 11010111 |
88 | 58 | 1011000 | 216 | d8 | 11011000 |
89 | 59 | 1011001 | 217 | d9 | 11011001 |
90 | 5a | 1011010 | 218 | da | 11011010 |
91 | 5b | 1011011 | 219 | db | 11011011 |
92 | 5c | 1011100 | 220 | dc | 11011100 |
93 | 5d | 1011101 | 221 | dd | 11011101 |
94 | 5e | 1011110 | 222 | de | 11011110 |
95 | 5f | 1011111 | 223 | df | 11011111 |
96 | 60 | 1100000 | 224 | e0 | 11100000 |
97 | 61 | 1100001 | 225 | e1 | 11100001 |
98 | 62 | 1100010 | 226 | e2 | 11100010 |
99 | 63 | 1100011 | 227 | e3 | 11100011 |
100 | 64 | 1100100 | 228 | e4 | 11100100 |
101 | 65 | 1100101 | 229 | e5 | 11100101 |
102 | 66 | 1100110 | 230 | e6 | 11100110 |
103 | 67 | 1100111 | 231 | e7 | 11100111 |
104 | 68 | 1101000 | 232 | e8 | 11101000 |
105 | 69 | 1101001 | 233 | e9 | 11101001 |
106 | 6a | 1101010 | 234 | ea | 11101010 |
107 | 6b | 1101011 | 235 | eb | 11101011 |
108 | 6c | 1101100 | 236 | ec | 11101100 |
109 | 6d | 1101101 | 237 | ed | 11101101 |
110 | 6e | 1101110 | 238 | ee | 11101110 |
111 | 6f | 1101111 | 239 | ef | 11101111 |
112 | 70 | 1110000 | 240 | f0 | 11110000 |
113 | 71 | 1110001 | 241 | f1 | 11110001 |
114 | 72 | 1110010 | 242 | f2 | 11110010 |
115 | 73 | 1110011 | 243 | f3 | 11110011 |
116 | 74 | 1110100 | 244 | f4 | 11110100 |
117 | 75 | 1110101 | 245 | f5 | 11110101 |
118 | 76 | 1110110 | 246 | f6 | 11110110 |
119 | 77 | 1110111 | 247 | f7 | 11110111 |
120 | 78 | 1111000 | 248 | f8 | 11111000 |
121 | 79 | 1111001 | 249 | f9 | 11111001 |
122 | 7a | 1111010 | 250 | fa | 11111010 |
123 | 7b | 1111011 | 251 | fb | 11111011 |
124 | 7c | 1111100 | 252 | fc | 11111100 |
125 | 7d | 1111101 | 253 | fd | 11111101 |
126 | 7e | 1111110 | 254 | fe | 11111110 |
127 | 7f | 1111111 | 255 | ff | 11111111 |
Наиболее просто воспринимать шестнадцатеричные числа, как сокращенную запись двоичных. Она сокращает 8-битовое число до двух шестнадцатеричных цифр, при этом более легко воспринимаются длинные строки бинарных цифр и сокращается место, необходимое для их записи. Помните, что шестнадцатеричным числам могут предшествовать два символа 0x, которые не используются в вычислениях, и число 5D может записываться как 0x5D.
Для преобразования шестнадцатеричных чисел в двоичные необходимо просто развернуть каждую шестнадцатеричную цифру в ее четырехбитовый эквивалент.
Услуги для Вас!
Вы всегда можете задать вопрос техническому специалисту, заполнив форму:
Цифровой аудиоформат 24/192, и почему в нем нет смысла. Часть 3 [Перевод]
Прим. перев.: Это перевод предпоследней части развернутой статьи Кристофера «Монти» Монтгомери (создателя Ogg Free Software и Vorbis) о том, почему обывателям нет никакого смысла хранить и воспроизводить музыку в формате 24/192 (и о том, кому действительно имеет смысл работать с 24-битным аудио).
Вернемся к вашим ушам
Мы обсудили диапазон частот, который способны распознавать уши, но что насчет динамического диапазона (это диапазон от наиболее тихого звука до самого громкого)?
Один из способов точно определить динамический диапазон – это снова посмотреть на кривые болевого порога и порога слышимости. Расстояние от наивысшей точки кривой болевого порога до самой низкой точки кривой слышимости составляет около 140 децибел – для молодого и здорового человека. Правда, слушать звук на такой громкости долго не получится, поскольку +130 дБ уже достаточно, чтобы повредить слух за несколько минут или даже секунд. Для справки скажу, что громкость отбойного молотка на расстоянии одного метра составляет 100-110 дБ.
Интересный момент: порог слышимости увеличивается с возрастом и потерей слуха, а болевой порог с возрастом уменьшается. Волосковые клетки улитки в ухе захватывают только часть всего диапазона в 140 дБ, поэтому мускулатура уха непрерывно регулирует количество звука, достигающего улитку, путем сдвига слуховых косточек – как радужка регулирует количество света попадающего в глаз [9]. Механизм костенеет с возрастом, что ограничивает слуховой динамический диапазон и снижает эффективность защитных механизмов.
Окружающий шум
Немногие люди осознают, насколько тихим может быть звук на пороге слышимости человека.
Самое слабое звуковое давление, которое способен воспринимать человек, составляет -8 дБ SPL [11]. По шкале А для измерения уровня шума, гул от лампы накаливания в 100 Вт на расстоянии одного метра составляет около 10 дБ SPL, что на 18 дБ громче. Гудение лампы будет намного громче, если подключить её к реостату.
Как пример звукового давления в 20 дБ SPL (что на 28 дБ громче самого тихого звука) часто приводится пустая студия звукозаписи или шумоизолированная комната. Найти место тише достаточно сложно, поэтому вы никогда не слышали шум, издаваемый лампочкой.
Динамический диапазон 16 бит
16-битная линейная импульсно-кодовая модуляция имеет динамический диапазон в 96 дБ, в соответствии с наиболее общим способом подсчета, когда динамический диапазон вычисляется как (6*кол-во бит) дБ. Многие верят, что 16-битное аудио не передает произвольные звуки тише, чем -96 дБ. Это большое заблуждение.
Ниже я привел две ссылки на 16-битные аудиофайлы. Один содержит звук частотой 1 кГц, при громкости 0 дБ (где 0 дБ – самый громкий звук), а другой – также звук частотой 1 кГц, с громкостью -105 дБ.
- Сэмпл 1: Звук 1 кГц при 0 dB (16 бит / 48 кГц WAV)
- Сэмпл 2: Звук 1 кГц при -105 dB (16 бит / 48 кГц WAV)
Выше изображен график спектрального анализа звука громкостью -105 дБ перекодированный в формат 16/48 с помощью ИКМ. Громкость 16-битного аудио с применением ИКМ очевидно ниже 96 дБ, иначе -105 дБ нельзя было бы представить или услышать. Как такое возможно? Закодировать этот сигнал без искажений так, чтобы он был значительно выше уровня шума, в то время как его амплитуда занимает треть бита? Часть загадки разрешается за счет правильного псевдослучайного сигнала, что как бы делает шум квантования независимым от входного сигнала. Косвенно, это означает, что такой способ квантования не вносит искажений, а только некоррелированный шум. Это, в свою очередь, означает, что мы можем кодировать сигналы с произвольной битовой глубиной, включая сигналы с пиковыми амплитудами, менее чем одним битом [12]. Тем не менее, псевдослучайный сигнал не меняет того факта, что если уровень сигнала опускается ниже уровня шума, то он практически исчезает. Как же звук громкостью -105 дБ по-прежнему различим на фоне шума в -96 дБ? Ответ таков: мы неверно представляем характеристики шума в -96 дБ. Мы используем неприменимое определение динамического диапазона. Формула (6*кол-во бит) дБ дает нам среднеквадратичный шум всей полосы сигнала, а каждая волосковая клетка чувствительна только к узкому спектру от всей полосы частот. Поскольку каждая волосковая клетка слышит только часть общей энергии шумов, то уровень шума, принимаемый клеткой, будет намного ниже, чем весь диапазон частот громкостью -96 дБ. 16-битное аудио может обладать более глубокой модуляцией, чем 96 дБ, если использовать правильный псевдо-сигнал, который смещает энергию шума квантования в зону, где его сложнее расслышать. На практике [13] 16-битное аудио может достигать громкости в 120 дБ. 120 дБ – это больше, чем разница между звуком комара в комнате и отбойным молотком в футе от вас. Или разница между пустой звуконепроницаемой комнатой и достаточно громким звуком, который способен повредить слух в секунды. 16 битов хватает, чтобы хранить весь слышимый спектр, и будет хватать всегда. Соотношение сигнал-шум Стоит сделать небольшое замечание о том, что соотношение сигнал/шум для уха меньше, чем динамический слуховой диапазон. Внутри заданной критической полосы, обычно, сигнал/шум составляет лишь 30 дБ. Отношение сигнал/шум не достигнет рамок диапазона слышимости, даже при условии расширения полосы частот. Это гарантирует, что формат 16 бит ИКМ обеспечивает разрешающую способность сверх необходимого. Также стоит отметить, что увеличение битовой глубины звука с 16 бит до 24 не увеличивает разрешающей способности и «качество» звука. Это всего лишь расширит динамический диапазон – расстояние между самым тихим и самым громким звуком, за счет снижения уровня шума. Как бы то ни было, 16 бит уже обеспечивают уровень шума, который мы не в состоянии услышать. Когда 24 бита имеют значение? Профессионалы используют для записи музыки 24-битные сэмплы [14] из-за меньшего уровня шумов и по соображениям удобства. 16 бит достаточно, чтобы охватить весь слышимый диапазон с запасом. Но он не охватывает весь возможный диапазон аудио-оборудования. Основная причина использования 24 бит во время записи – это избежание ошибок. Вместо того, чтобы осторожничать, выравнивая 16 бит по центру диапазона, рискуя отрезать верхние частоты или добавить шума, 24 бита позволяют оператору установить примерный уровень и более не думать об этом. Промах на пару бит не влечет за собой никаких последствий, а эффекты, которые динамически сжимают записанный спектр, имеют большее пространство для маневра. Также инженеру требуется большее 16 бит при смешении сигналов и мастеринге. Современные рабочие процессы могут включать, буквально, тысячи эффектов и операций. Шум квантования и уровень собственных шумов 16-битной выборки могут быть незаметны при воспроизведении, но при увеличении такого шума в несколько тысяч раз, он сразу становится заметным, а 24-битный формат сохраняет накапливающийся шум на очень низком уровне. После того, как музыка готова к записи на диски, нет никаких причин оставлять больше чем 16 бит. Тесты на прослушивание Понимание живет там, где встречаются теория и реальность. Вопрос разрешается только тогда, когда они обе приходят в согласие. Эмпирические данные, полученные из тестов на прослушивание позволили судить, что 44.1 кГц/16 бит обеспечивает максимально возможное качество воспроизведения. Множество контролируемых тестов подтвердили это, но я рекомендую недавнюю работу «Слышимость стандарта CD, аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, использованное в воспроизведении аудио с высокой разрешающей способностью», проделанную местными ребятами из Бостонского аудио-сообщества. К сожалению, для доступа к полному тексту работы нужно быть членом Общества звукоинженеров. Тем не менее, эта работа широко обсуждалась во многих статьях и на форумах, авторами, которые туда [в сообщество] входят. Вот несколько ссылок:
- Новая частота дискретизации: насколько высоко качество современных CD? [ссылка]
- Ветка форума Hydrogen Audio [ссылка]
- Справочная информация со страницы Бостонского-аудио сообщества, включая перечень оборудования и список сэмплов [ссылка]
В ходе этой работы проводился эксперимент: были отобраны испытуемые, которые выбирали между записями на высококачественных аудио DVD/SACD, подобранными приверженцами звука высокой четкости, чтобы показать его превосходство, и теми же записями, но в CD формате 16/44.1 кГц. Слушателям нужно было выявить какие-либо различия между ними, используя методологию случайного выбора. Бостонское аудио-сообщество проводило эксперимент с использованием высокопрофессионального оборудования в шумоизолированной среде, как с обычными, так и с тренированными слушателями. Среди 554 попыток, испытуемые выбирали «правильно» в 49.8% случаев. Другими словами, они пытались угадать. Ни один слушатель в течение всего теста не смог опознать, которая из записей была в формате 16/44.1, а какая была звуком высокой четкости [15]. А 16-битный сигнал даже не был сглажен! В еще одном недавнем исследовании [16] изучалась возможность расслышать ультразвук, как предполагали более ранние исследования. Тест был построен таким образом, чтобы максимизировать возможность распознавания, для этого были добавлены интермодуляционные составляющие в места, где они были бы наиболее слышны. Было установлено, что нельзя услышать ультразвуковые волны… но оказалось, что искажения от интермодуляционных составляющих распознать можно. Эта статья породила череду дальнейших исследований, результаты большей части которых противоречили друг другу. Некоторые неясности были разрешены, когда обнаружилось, что ультразвук может вызывать большее количество интермодуляционных искажений в усилителях мощности, чем ожидалось. Например, Дэвид Гризингер (David Griesinger) провел этот эксперимент [17] и обнаружил, что его акустическая установка не вносила заметных интермодуляционных искажений, но зато их вносил усилитель. Читатель, будь осторожен Очень важно не вырывать отдельные работы или «комментарии экспертов» из контекста или брать их только с ресурсов, интересных вам. Не все статьи полностью соглашаются с этими результатами (а несколько даже не соглашаются с большей частью), поэтому легко наткнуться на мнение меньшинства, которое может доказывать любую точку зрения, которую вы можете вообразить. Несмотря ни на что, статьи и ссылки, приведенные выше, представляют большую важность и серьезный объем знаний и экспериментальных записей. Нет ни одной известной статьи, которая бы прошла испытание временем и поставила бы под сомнение состоятельность этих результатов. Споры происходят только среди потребителей и внутри сообществ меломанов. Во всяком случае, количество неоднозначных, незаконченных и откровенно несостоятельных экспериментальных результатов, доступных в поиске Google, подчеркивает, насколько сложно провести точное и объективное исследование. Различные ученые ищут всякие мелочи, требуют проводить строгий статистический анализ, чтобы выявить подсознательные выборы, которые непреднамеренно делали испытуемые. Таким образом, мы скорее пытаемся доказать что-то, чего в принципе не существует, что делает положение вещей еще сложнее. Доказательство нулевой гипотезы сродни разрешению проблемы остановки – это нереально. Единственный вариант подтвердить что-то в этом случае – собрать достаточно много эмпирических данных. Несмотря на это, работы, подтверждающие нулевую гипотезу – это действительно серьезное доказательство; подтвердить «не слышимость» экспериментально гораздо сложнее, чем обсуждать её. Неизвестные ошибки в тестовых методиках и оборудовании почти всегда дают ложноположительные результаты (из-за случайного внесения звуковых различий), а не ложноотрицательные. Если профессиональные исследователи с таким трудом проводят исследование отдельных аудио-различий, то вы можете представить, как это трудно для любителей. Как (ненарочно) испортить результаты звукового эксперимента Самый «лучший» комментарий, который я слышал от людей, верящих в высококачественное аудио (перефразировано): «Я слышал высококачественный звук лично, и улучшение качества звучания очевидно. Вы серьезно хотите, чтобы я не верил своим ушам?» Разумеется, вы можете верить собственным ушам. Но дело в том, что это мозг чересчур доверчив. Я не пытаюсь кого-то оскорбить, это проблема всех людей. Предвзятое мнение, эффект плацебо и двойное слепое тестирование Любое испытание, где слушатель может опознать два варианта по любым признакам, кроме как на слух, обычно приводит к результатам, которые слушатель ожидал заранее. Это называется предвзятостью и имеет схожесть с эффектом плацебо. Это означает, что люди «слышат» различия, из-за подсознательных сигналов и предпочтений, которые не имеют отношения к звуку – это как предпочесть более дорогой (или более привлекательный) усилитель более дешевому. Человеческий мозг устроен таким образом, чтобы подмечать особенности и различия там, где их нет. И эту особенность нельзя отключить, просто попросив человека принимать объективные решения – это происходит на подсознательном уровне. Предвзятость нельзя ликвидировать скепсисом. Контролируемые эксперименты доказывают, что осознание принятия предвзятых решений лишь усиливает эффект! Тест, во время которого не было устранено влияние предвзятых суждений, ничего не стоит [18]. При одностороннем слепом тестировании слушатель ничего не знает заранее о вариантах и не получает никакой обратной связи в ходе испытания. Такое тестирование лучше прямого сравнения, но не исключает предвзятости экспериментатора. Тот, кто проводит тест, может непреднамеренно повлиять на его ход или передать свою собственную предвзятость слушателю неосторожными репликами (например: «Вы уверены, что это то, что вы слышите?», язык тела также может указать на «неправильный» выбор, и заставить сомневаться, и так далее). Влияние предвзятости человека, проводящего тест, на результаты слушателя также было подтверждено экспериментально. Двойные слепые тесты – это стандарт, в таких тестах ни экспериментатор, ни слушатель не получают какой либо информации о содержании теста и текущих результатах. Наиболее известный пример – это ABX-тесты, проводимые компьютером, которые есть в свободном доступе – их можно запустить на вашем собственном ПК [19]. ABX-тесты подразумевают минимальное количество результатов слухового теста, до достижения которых они считаются неполноценными. Имеющие хорошую репутацию аудио-форумы, такие как Hydrogen Audio, часто запрещают любые обсуждения результатов слуховых тестов, если они не соответствуют минимальным требованиям объективности [20]. Выше изображено рабочее окно Squishyball – простой командной строки инструмента ABX, запущенного в xterm. Лично я не проводил ни одного качественного сравнительного теста в процессе исследований (неважно, насколько серьезных) без применения ABX. Наука есть наука, тут нет места нерадивости. Проделки громкости Человеческое ухо может сознательно различать амплитудные различия громкости примерно в 1 дБ, и эксперименты показывают возможность определения различий в пределах 0,2 дБ на подсознательном уровне. Люди практически повсеместно считают громкий звук лучше, и 0,2 дБ достаточно, чтобы человек выказал предпочтение. По результатам любого сравнения, в котором неаккуратно выставлены амплитуды, будет наблюдаться явно выраженное предпочтение громкому звуку, даже если различия в громкости малы для того, чтобы осознать это. Продавцы аудио знают об этом трюке уже очень давно. Профессиональный стандарт тестирования требует различия амплитуд на величину, не превышающую 0,1 дБ. Это часто требует использования осциллографа или анализатора сигналов, потому что подгадывать и крутить ручки, пока звук не совпадет, достаточно нерационально. Отсечение сигнала Отсечение сигнала – это еще одна ошибка (иногда проявляющаяся только с течением времени), которую легко допустить. Может оказаться, что несколько обрезанных сэмплов и их производные сигналы сравниваются с необрезанным сигналом. Опасность отсечения части сигнала особенно разрушительна в тестах, которые дискретизируют, передискретизируют цифровые сигналы и управляют ими «на лету». Допустим, мы хотим сравнить качество звучания сигналов с частотой дискретизации 48 кГц и 192 кГц. Обычный способ провести такой эксперимент – обеспечить субдискретизацию из 192 кГц в 48 кГц, а затем снова провести повышающую дискретизацию до 192 кГц, после чего сравнить два этих сигнала в ABX-тесте [21]. Такой порядок позволяет нам исключить любую возможность изменения параметров оборудования или подмены сэмплов, влияющую на результаты. Мы можем использовать тот же ЦАП для воспроизведения обоих сэмплов и переключаться между ними без каких-либо изменений в режиме работы оборудования. К сожалению, большинство сэмплов используют весь цифровой диапазон. Невнимательное применение передискретизации часто может привести к случайному обрезанию звука. Очень важно или следить за отсечением (и отбрасывать обрезанный звук), или избегать его, применяя различные методы: например, ослабление (аттенуацию) звука. Другой носитель – другая мастер-копия Я просмотрел несколько статей и блогов, которые утверждали о достоинствах 24 бит или 96/192 кГц, путем сравнения CD и аудио-DVD с «одинаковыми» записями. Такое сравнение несостоятельно, потому что для этих записей используются разные мастер-диски. Непреднамеренные сигналы Непреднамеренные аудио-сигналы практически неизбежны в старых аналоговых и гибридных цифро-аналоговых тестовых установках. Очевидно, что цифровые установки могут полностью устранить проблему в некоторых формах тестирования, но могут и увеличить количество потенциальных ошибок программного обеспечения. Такие ограничения и баги уже достаточно давно дают ложноположительные результаты в тестированиях [22]. Статья «Цифровые испытания – больше о ABX-тестировании» рассказывает увлекательную историю об удивительном тестировании слуха, проведенном в 1984 году, призванном опровергнуть авторитет меломанов того времени, которые поначалу утверждали, что CD уступает винилу. Статья касается не столько результатов испытания (я подозреваю, вы сможете догадаться, какими они были), сколько хаотичности мира, вовлеченного в проведение такого теста. Например, ошибка со стороны организаторов теста случайно показала, что приглашенный эксперт по прослушиванию делал выбор, основываясь не на качестве звучания, а скорее на различных потрескиваниях, которые производили реле коммутаторов. Анекдотические истории не заменяют реальные данные, но эта история показывает, с какой легкостью скрытые недостатки могут влиять на слуховые тесты. Некоторые из убеждений меломанов тоже довольно забавны, например кто-то надеется, что многие из современных исследований будут считаться глупыми через 20 лет. Примечания к Части 39. Все знают это чувство, когда перепонки «разжимаются» после выключения громкой музыки. 10. Несколько отличных графиков можно найти на сайте HyperPhysics. 11. 20 мПа обычно принимаются за 0 дБ для удобства измерения. Это приблизительно равно порогу слышимости на частоте 1 кГц. На частотах от 2 до 4 кГц ухо настолько же чувствительно как на 8 дБ. 12. В приведенной ниже статье описано лучшее объяснение сглаживания, что я встречал, хотя она [статья] больше о сглаживании изображений. Но первая половина охватывает теорию и практику сглаживания в аудио, перед тем как перейти к теме изображений. Кэмерон Николас Кристов, статья «Оптимальное сглаживание и ограничение шума на изображениях». 13. Инженеры, занятые в цифровой обработке сигналов, могли заметить, как это сделал мой всезнающий соотечественник, что 16-битное аудио, в теории, может иметь бесконечный динамический диапазон для чистого звука, если вы воспользуетесь бесконечным рядом Фурье, чтобы преобразовать его. Эта концепция очень важна для радиоастрономии. Хотя работа уха не сильно отличается от преобразования Фурье, его разрешение относительно ограничено. Это накладывает ограничение на максимально возможную битовую глубину 16-битных сигналов. 14. В производстве цифровой музыки используют 32-битные числа с плавающей точкой, потому что это очень удобно для современных процессоров, и потому что это полностью устраняет вероятность того, что случайное обрезание останется незамеченным и погубит композицию. 15. Несколько читателей хотели узнать как тест Майера и Морана в 2007 году мог дать нулевой результат, если ультразвук может вызывать интермодуляционные искажения? Должно быть очевидно, что «мог» и «иногда» не то же самое что «смог» и «всегда». Интермодуляционные искажения от ультразвуковых волн могут появиться, а могут и не появиться в любой системе, при любом наборе условий. Нулевой результат Майера и Морана означает, что интермодуляционные искажения были неслышны на системах, которые они использовали во время теста. Вниманию читателей предлагается ознакомиться с простым тестом на определение интермодуляционных искажений, и определить интермодуляционный потенциал их собственного оборудования. 16. Кару и Шого (Karou and Shogo), статья «Определение порога для звука, частотой выше 22кГц» (2001). Материал номер 5401, представленный на 110 собрании 12-15 мая 2001 года в Амстердаме. 17. Дэвид Грезингер, статья «Восприятие средних частот и интермодуляционные искажения высоких частот в динамиках, и их взаимодействие с аудиозаписями высокого разрешения». 18. Со времени публикации несколько комментаторов отправили мне похожие версии одного анекдота (перефразировано): «Я как-то слушал какие-то наушники/ усилители/ записи ожидая результат А, но был очень удивлен, когда пришел к результату Б! Доказано: предвзятость – это чушь!» Я могу сказать две вещи. Во-первых, предвзятость суждения не заменяет все верные результаты на неверные. Она склоняет результаты в труднопредсказуемом направлении на неизвестную величину. Как вы можете утверждать, что верно, а что – нет, наверняка, если тест был сфальсифицирован вашим подсознанием? Скажем, вы ожидали услышать большую разницу, но были удивлены, услышав малую разницу. Что если там не было разницы совсем? Или разница есть, но будучи осведомлённым о возможной предвзятости, ваш благонамеренный скептицизм скомпенсировал ваше мнение? Или, может быть, вы были совершенно правы? Объективное тестирование, например ABX, устраняет все эти неопределенности. Во вторых: «Вы думаете, что вы не судите предвзято? Отлично! Докажите это!» Значимость объективного теста заключается не только в его способности убедить нас, но и в способности убедить в этом других. Заявления требуют доказательств. Чрезвычайные заявления требуют экстраординарных доказательств. 19. Наверно, самые простые инструменты для ABX-тестирования:
- Foobar2000 с ABX-плагином
- Squishyball, инструмент командной строки Linux, которым пользуемся мы в Xiph
20. На Hydrogen Audio, аббревиатура TOS8 (objective testing requirement) обозначает необходимое условие тестирования, цифра 8 обозначает восьмой пункт условий предоставления услуг. 21. Принято считать, что передискретизация наносит непоправимый вред сигналу. Это совсем не так. По крайней мере, до тех пор, пока кто-то не допустит ошибку, например, обрезав сигнал. Субдискретизированный, а потом дискретизированный снова сигнал будет неотличим от оригинала. Это обычный тест, используемый для установки более высоких параметров дискретизации, что не обязательно. 22. Это, может быть, не связано напрямую со звуком, но… нейтрино что, быстрее скорости света, серьезно? [Заключительная часть]
Эту статью прочитали 49 187 раз
Статья входит в разделы: Интересное о звуке
Поделиться материалом:
Наши статьи
Комплект Metronome продемонстрировал невероятную точность в передаче тембров и заметно расширил звуковой диапазон вверх — впечатления Николая Ефремова (салон AV) о полном сете Metronome AQWO.
CD или CD Rip?
AMC XIA150SE – душевный усилитель с твердым характером
Davis Acoustics Krypton 9. Изысканный французский звук
Fi Neo Stream. Новые грани аудио стриминга
ELAC VELA BS404. Универсальные полочники с характером
ELAC Varro Dual Reference DS1200 — сабвуфер с процессором DSP
Цифровой источник Cen.Grand 9i-92DE и ЦАП-усилитель для наушников 9i-92SA III. Переход на новый уровень
Кабели Harmonic Technology
Metronome AQWO получает престижную награду «Выбор эксперта»! Обзор от Николая Ефремова (Salon AV)
Новый флагманский акустический кабель Tchernov Cable Ultimate DSC SC
Домашняя работа. Обзор Davis Acoustics HERA 250
«Французские Ритмы» #4: Презентация громкоговорителей Davis Acoustics в московском аудиосалоне Pult.Ru
ELAC Concentro S 503. Красивые полочные АС с большими возможностями
Компания En-Trade Distribution стала дистрибьютором французского бренда акустических систем
High End звучание совсем не за хай-эндную цену! Audio Analogue Aacento получает престижную награду «Выбор эксперта»! Обзор от Николая Ефремова (салон AV)
Peak Consult: история, принципы и достижения
Выставка Fresh Hi-Fi & Vinyl Show в Санкт-Петербурге состоится 17-18 сентября
Kalista и Karan Acoustics. Ultra High End комбо на Toronto Audio Fest
MSB Digital Director — цифровой процессор с двумя DSP
Комплект Metronome продемонстрировал невероятную точность в передаче тембров и заметно расширил звуковой диапазон вверх — впечатления Николая Ефремова (салон AV) о полном сете Metronome AQWO.
AUDIO ANALOGUE AACENTO — Ferrari в мире усилителей!! Обзор от Ильи Суханова (PULT.RU)
Обзор TWS-наушников JVC HA-A7T. Бюджетная альтернатива
TECHNOLOGICA на выставке HI-FI & HIGH END SHOW 2022
Обзор. АС Legacy Focus SE, усилитель Coda 16.0, пред Coda 07x pre. От аудиофилии до меломании – один шаг, или сколько нужно человеку для аудионирваны
Каждый добавленный бит
- цифра
- динамический диапазон
- качество звука