Super Audio CD

При записи SACD-дисков используется однобитный цифровой формат записи Direct Stream Digital (DSD), обеспечивающий более высокое качество звучания, по сравнению с обычным CD, благодаря более высокой частоте семплирования (до 2,8224 МГц).

Однобитный формат записи — это прямая запись однобитного выходного сигнала с АЦП типа дельта-сигма, причем этот сигнал имеет замечательные характеристики: динамический диапазон более 120 дБ, частотная характеристика от 0 до 100 кГц. При таком сочетании частотной характеристики и динамического диапазона формат DSD не имеет соперников среди других записывающих систем, цифровых или аналоговых.

Запись напрямую такого однобитного сигнала является альтернативой существующим форматам мастер-записи. Подобная запись устраняет необходимость процессов децимации и интерполяции для аналогового ввода-вывода. При этом упрощается структура (блок-схема) записывающей системы, поскольку исчезают параллельные информационные связи многоразрядных цифровых слов и необходимость их синхронизации.

Как и в обычных PCM-системах, аналоговый сигнал сначала конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации в 64 раза большей, чем номинальная частота дискретизации. Но DSD записывает одноразрядные импульсы напрямую, тогда как обычные системы затем преобразуют одноразрядный сигнал в многоразрядный PCM-код. В результате DSD дает цифровое одноразрядное представление аудиосигнала. Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют Pulse Density Modulation (PDM).

Полученный таким образом поток импульсов имеет примечательные свойства. Как и PCM, DSD по своей природе устойчив к искажениям, шуму и детонации записывающей аппаратуры и передающих каналов. Но, в отличие от PCM, DSD, как принцип преобразования, гораздо ближе к аналоговой передаче сигнала. Цифро-аналоговое преобразование может быть легко получено с помощью аналогового низкочастотного фильтра.

Поток дельта-сигма импульсов является достаточно «шумным». Сверхвысокое отношение сигнал/шум, которого требует DSD в звуковом диапазоне, достигается с помощью шумоподавляющих фильтров пятого порядка, что эффективно сдвигает шумы вверх по частоте за пределы звукового диапазона.

Действительно, хотя повышение разрядности и частоты дискретизации PCM-систем реально улучшали качество звука, эти улучшения становились все менее значительными. Очевидна и причина этого — фильтрация. В PCM-системе на входе необходимы фильтры с очень крутой характеристикой, чтобы подавить частоты, равные половине частоты выборки или превышающие её. При частоте выборки 44,1 кГц фильтры типа «кирпичная стена» должны пропускать частоту 20 кГц и при этом отсекать частоту 22,05 кГц — задача не самая легкая. Кроме того, при записи и воспроизведении неизменно добавляются шумы квантования. К тому же семплирование на частоте Найквиста приводит к значительному сдвигу между фазовой и частотной характеристиками фильтров в верхней четверти частотного диапазона. В однобитной системе, напротив, фазовая характеристика в верхней части звукового спектра не подвержена воздействию фильтра типа «кирпичная стена». Этот аспект особенно важен, когда система цифровой обработки является частью петли обратной связи, потому что в этом случае сдвиг фазы меньше, а стабильность системы и достоверность звучания выше.

Другой особенностью этого формата является его поведение в условиях возможной перегрузки. Одноразрядные кодеры высокого порядка должны иметь возможность управления перегрузкой, чтобы не пострадала стабильность. Это обеспечивается с помощью выбора соответствующей передаточной характеристики. Одноразрядный формат не дает, в отличие от многоразрядного, эффектов aliasing при перегрузках.

Поскольку любой бит одноразрядного формата несет одно и то же количество информации, эффект каждой ошибки не зависит от того, какой бит является ошибочным. В этом одноразрядный формат выгодно отличается от многоразрядного кодирования, в котором ошибка в старшем значащем бите (MSB) сказывается в ${\displaystyle 2^{L}}$ (L — длина слова) больше, чем ошибка в младшем значащем бите (LSB). Для 20-битной системы записи это означает, что ошибка в MSB скажется примерно в 1 млн раз больше, чем в LSB.

Системы опережающей коррекции ошибок (такие, как используются в формате CD) исходят из предположения, что все биты имеют одинаковый информационный вес, поэтому они одинаково защищают каждый бит. Для аудиосигнала это не подходит, поэтому страдает эффективность таких систем — младшие значащие биты получают избыточную защиту, а старшие значащие биты не получают достаточной защиты. Более того, эффект от ошибок не является пропорциональным, так как зависит от того, в каком бите произошла ошибка. Это приводит к быстрой деградации сигнала при превышении определенного уровня плотности ошибок.

Фактически, максимальный эффект от каждой отдельной ошибки — это функция частоты избыточной дискретизации. эффект от ошибки обратно пропорционален коэффициенту избыточной дискретизации. Например, если коэффициент 64, ошибка, вносимая одним битом, будет примерно 1/64 максимального уровня, то есть её уровень на 36 дБ меньше максимального уровня сигнала на выходе.

CD-Audio использует для дискретизации аналогового звука частоту 44,1 кГц. В SACD частота в 64 раза бо́льшая — 2,8224 МГц. CD использует 16 бит для каждого семпла, так что поток информации здесь составит 16×44100 Гц на канал или 705 600 бит/с на канал. DSD использует 1 бит на отсчет, так что поток информации составит 2 822 400 бит/с на канал. Это в 4 раза больше, чем у CD, но меньше чем у DVD-A 24 бит х 192000 Гц = 4 608 000 бит/с

Формат DVD-Audio (разрядность — 24 бит, частота дискретизации — 192 кГц), передает сигнал с точностью 24 бит, что обеспечивает кодирование амплитуды сигнала с высокой точностью вплоть до частоты Найквиста, равной 96 кГц, при этом этот формат записи использует то же PCM-кодирование, что и CD-Audio.