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

500 км по паспорту, 250 по факту: почему запас хода электромобиля врёт

В паспорте — 500 км запаса хода. На трассе зимой — едва 250. Разбираемся, какая методика теста стоит за привлекательной цифрой и почему в России разрыв больше, чем в Европе.

✦ ИИ  Стражи океана: как гренландские акулы живут веками и почему человек не может так же?

В холодных водах Северной Атлантики обитает существо, которое бросает вызов привычному пониманию жизни. Гренландская полярная акула плавает в океане уже несколько столетий, переживая целые эпохи...

✦ ИИ  Дельфины действительно дружат с людьми или на самом деле они опасны для человека?

Дельфины давно занимают особое место в человеческой культуре. С древних времён их изображали на фресках и мозаиках, слагали о них легенды и мифы. Древние греки считали дельфинов посланниками богов,...

Пища для эстетов: как появился сюрстрёмминг и почему это блюдо стало таким популярным в Швеции?

Среди кулинарных традиций разных народов есть блюда, которые становятся настоящими символами национальной культуры. Одни из них прославляются благодаря изысканному вкусу, другие —...