Блеф создателей Philips CD100: как 14-битный плеер переиграл 16-битный флагман Sony

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Статья | Аудио и звук

В 1980 году голландские инженеры Philips оказались перед угрозой грандиозного позора. До утверждения и старта продаж первого в мире компакт-диска оставалось совсем немного времени, а их собственный звуковой микрочип выдавал всего 14 бит вместо официально продавленного японцами мирового стандарта в 16. Японские соперники из Sony потирали руки: их будущий проигрыватель CDP-101 нёс на борту полноценную 16-битную микросхему и должен был раздавить европейских коллег в глазах аудиофилов всего мира. Голландцы, впрочем, придумали дерзкий трюк. Он навсегда изменил принципы обработки цифрового звука.

Философия была простая до наглости: рискнуть и выпустить серийный CD100 с заведомо «недостаточной» разрядностью, замаскировав отставание математикой. Вместо оглушительного провала случилось необъяснимое — аппарат с «урезанным» чипом заиграл теплее, объёмнее и естественнее бескомпромиссного японского флагмана. Как именно математическая хитрость обыграла грубую силу микроэлектроники — разберёмся, заглянув под тяжёлый металлический корпус первенца цифровой эры.

Автор: Les Chatfield / CC BY 2.0 Источник: commons.wikimedia.org

Сговор гигантов и кремниевый цейтнот

В конце семидесятых две крупнейшие корпорации объединили усилия ради единого стандарта оптического диска. Philips разработал оптическую систему считывания и лазерную головку на балансирном подвесе, Sony — алгоритмы кодирования и коррекцию ошибок. Голландцы поначалу настаивали на 14 битах: их замеры показывали, что динамический диапазон порядка 84 децибел уже превосходит любую пластинку или студийную плёнку. Японцы уперлись и продавили 16 бит и частоту 44,1 кГц — эти цифры и легли в легендарную отраслевую спецификацию «Красная книга».

Для инженеров из Эйндховена это решение обернулось техническим нокдауном. У фабрики в Неймегене уже была готова к выпуску микросхема TDA1540 — великолепная по характеристикам, но строго 14-битная. Новый 16-битный кристалл пришлось бы разрабатывать и отлаживать не меньше двух лет, а японцы готовили свой плеер к прилавкам уже к концу 1982 года. Времени не было совсем.

Перенос или отмена релиза означали для голландцев потерю рынка целиком и капитуляцию перед Токио без единого выстрела. Тогда инженеры предложили идею на грани безумия: не переделывать чип с нуля, а заставить существующую 14-битную матрицу дорисовывать недостающие биты — метод, который позже назовут передискретизацией, или оверсемплингом.

Математика против грубой силы

Чтобы прочитать 16-битный диск на 14-битном преобразователе с минимальными слышимыми потерями, инженеры поставили перед ЦАП отдельный цифровой фильтр SAA7030. Он пересчитывал звуковой поток с учетверённой частотой: вместо стандартных 44,1 кГц на преобразователь шёл сигнал 176,4 кГц, с тремя вычисленными промежуточными значениями между каждым реальным отсчётом. Само по себе умножение точек проблему разрядности не решало. Оставался шум квантования: при обычном отсечении двух младших бит он резал бы слух на тихих фрагментах музыки.

Тогда в ход пошёл второй козырь — нойз-шейпинг, управляемое распределение шума. Ошибку вычислений не отбрасывали, а подмешивали обратно в следующий расчёт с обратным знаком. Значительную часть цифрового шума процесс выталкивал далеко вверх, в область высоких и частично неслышимых ультразвуковых частот. Итог: связка фильтра и 14-битного TDA1540 выдала динамический диапазон свыше 90 децибел, практически сравнявшись по слышимому соотношению сигнал/шум с реальными 16-битными схемами.

Автор: Equallagrium / CC BY-SA 4.0 Источник: commons.wikimedia.org

Пока голландцы колдовали с программной архитектурой, Sony сделала ставку на «железо». В CDP-101 стоял настоящий 16-битный конвертер, но за честность параметров пришлось платить искажениями в другой части тракта, и немалыми. Любое цифровое преобразование рождает паразитные спектральные составляющие на высоких частотах. Чтобы их заглушить, японцы поставили на аналоговом выходе тяжёлые фильтры девятого порядка — ту самую «кирпичную стену». Фильтр резко ослаблял сигнал выше примерно 20 килогерц. Заодно кроил фазу полезного сигнала в верхах. Звук тарелок, меди и струнных выходил сухим, резким, колючим.

В CD100 благодаря четырёхкратному разгону частоты паразитные помехи ушли в ультразвуковую область примерно от 156 килогерц и выше. Чтобы от них избавиться, хватило простого и щадящего фильтра третьего порядка, который вообще не трогал полезный диапазон. Голландцы не поскупились и поставили два отдельных монофонических чипа TDA1540 — по одному на каждый канал. По некоторым данным, японцы же сэкономили: один чип на оба канала с попеременным переключением, из-за чего правый канал отставал от левого на 11 микросекунд и разрушал стереопанораму.

Почему за старыми платами охотятся до сих пор

Весной 1983 года компактный CD100 в литом алюминиевом корпусе весом в пять килограммов появился в магазинах по цене около 150 тысяч рублей на современные деньги. Аудиоэксперты застыли в удивлении. Европейский аппарат выдавал живой, плотный, почти аналоговый звук с глубоким басом и шелковистым верхом. А японский оппонент при идеальных паспортных данных утомлял слух уже через полчаса прослушивания.

Компромисс, рождённый в цейтноте и технологическом отставании, в итоге определил развитие цифрового звука на десятилетия вперёд — вот уж действительно вышло по пословице про нет худа без добра. В последующие годы оверсемплинг и нойз-шейпинг стали важным инструментом для многих производителей планеты, включая саму Sony.

Сегодня за хорошо сохранившимися CD100 на вторичном рынке идёт настоящая охота: коллекционеры выкладывают от 80 до 130 тысяч рублей. А керамические TDA1540 знатоки винтажного звука до сих пор выпаивают из старых плат, собирая на их базе кастомные системы — чтобы вернуть то самое бархатное звучание ранней цифровой эпохи.

В этой дуэли победили не сухие цифры в паспорте, а красивая математика и уважение к человеческому слуху. Такой вот парадокс: инженерная смекалка обыграла грубую силу. А вам доводилось сравнивать звучание аппаратуры первых поколений со стерильным звуком современных цифровых источников?

Изображение в превью:
Автор: Les Chatfield / CC BY 2.0
Источник: commons.wikimedia.org
Другое
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)

6 комментариев

Добавить комментарий

Филипп Лыков
А слабо́ им было на К572ПА1 сделать проигрыватель?😆
i
Ну так вариант от Сони тоже был совсем не идеальным. Там был лишь один ЦАП который использовали на оба канала с коммутацией, причем почему то без устройства выборки-хранения (УВХ). В результате один канал был задержан относительно другого.
Так же сомнительна история с тем что Филипс якобы была не готова к этому. Очевидно что чип SAA7030 изначально поддерживал 14 битный ЦАП.
Dok_SF
«аппарат выдавал живой, плотный, почти аналоговый звук» — к теме цифра и аналоговый звук…
n
У меня marantz cd-74 на tda1540, правда в пластмассе, а не керамика, но звук фантастический.
g
Tda 1540 победить трудно

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Что можно приготовить летом из арбуза, дыни, тыквы и кабачка

Летом хочется готовить легко, быстро и без сложных продуктов. В это время на столе часто оказываются арбуз, дыня, кабачки и тыква. Несмотря на то что эти плоды считаются родственниками,...

Почему для атмосферы планеты океан раскаленной лавы безопаснее, чем твердая поверхность

Данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) поставили перед планетологами теоретическую проблему. Наблюдения за каменистыми экзопланетами за пределами Солнечной системы показали результаты,...

Физики отменили вердикт о «мнимости» Вселенной: как исправление одной математической ошибки вернуло квантовой теории обычные числа

Любой физический прибор фиксирует исключительно действительные величины. Стрелки измерительных шкал, цифровые датчики и спектрометры регистрируют координаты в пространстве, длительность временных...

Квантовый процессор встроили в электронный микроскоп: физики научились считывать структуру биомолекул без радиационного разрушения

Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения позволяет различать отдельные атомы в кристаллической решетке твердых тел. Однако при переносе этого метода в молекулярную биологию ученые...

Sony Walkman WM-D6C: как портативный кассетник с кварцем стал студийным рекордером

В 1986 году в официальный британский хит-парад попал дебютный фолк-альбом певицы Мишель Шокед. На записи между песнями под акустическую гитару отчетливо слышался треск костра и стрекот ночных...