MP3 против MD, CD против всех
Статья из журнала Hi-Fi & Music 1-2'(44) 2000

По горячим следам подробного теста плейеров MP3, который Тим Бауэрн провел в прошлом месяце, я решил провести сравнение этих маленьких конкурентов Walkman с более привычными форматами - MiniDisc (MD) и CD-R. Несмотря на утверждения о том, что качество звучания у MD и MP3 "такое же, как у CD-диска", не стоит забывать о том, что они не являются линейными устройствами (как CD-R или DAT).

В этих же форматах применяется сжатие и сокращение лишних данных, в результате чего вы получаете копию аудиоинформации гораздо меньшего объема. При линейном кодировании данных на CD-диске для "описания" музыки требуется 14112 кбит данных в секунду вне зависимости от того, тихое ли это соло на флейте, интенсивное оркестровое движение или развязный панк-рок.

Схемы сжатия определяют плотность данных, удаляют излишние цифровые нули ("воду") и повторяющиеся участки данных. Вследствие того, что цифровой сигнал, описывающий музыку не изменяется, это сжатие называют сжатием без потерь или прозрачным сжатием.

Собственно это похоже на всем известную утилиту архивации, например, Winzip, которая сжимает большие файлы (и распаковывает их впоследствии до первоначального размера) без потери или порчи данных.

В то же время одно лишь сжатие без потерь не может уменьшить объем данных до той степени, которая необходима MiniDisc или MP3: для первого скорость потока не должна превышать 290 кбит/с, разрешенные значения для второго- 64, 128 или 256 кбит/с. Отсюда получается, что в формате MD необходимо пятикратное сжатие, а для MP3 при скорости 128 кбит/с- 11-кратное.

Для уменьшения объема данных до той степени, которой требуют MiniDisc- и MP3-проигрыватели на микросхемах, применяется сокращение данных в процессе которого "удаляются" звуки, которые нельзя услышать.

Сжатие происходит на основе "перцептуального аудиокодирования" (т.е. кодирование с учетом восприятия человеческим ухом), в процессе которого сложные музыкальные сигналы разбиваются на поддиапазоны, внутри каждого из которых определяются доминирующие сигналы и сигналы, неразличимые на фоне шумов или близлежащих громких сигналов.

Разработка кодеков (программ КОдирования/ДЕКодирования) для этих форматов продолжается. В настоящее время для MiniDisc выпущен кодек ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding - кодирование акустической информации с переменным преобразованием) версии 5.0, а кодек Layer 3 для MP3 получил свое развитие из предыдущих алгоритмов, Layer 2 и Layer 1.

MPEG Layer 1 является по сути схемой сжатия данных PASC (Precision Adaptive Subband Coding - прецизионное избирательное кодирование по поддиапазонам), много лет тому назад принятой Philips для своих цифровых компакт-кассет (Digital Compact Cassette), которые были обречены на коммерческий провал.

Алгоритм Layer 3 разработан именно для эффективного кодирования данных с низкой скоростью потока. Он дает увеличенное разрешение по частоте по сравнению с Layer 1 и Layer 2, кроме того в нем реализованы сложные технологии, позаимствованные из программы MPEG Video, такие как "блуждающая маска", статистическое кодирование и "переменный" буфер, что позволяет ему справиться с самым разнообразным музыкальным материалом.

Это является одной из причин того, почему для MP3-кодирования нужны современные компьютеры. Для декодирования или воспроизведения файлов MP3 требуется меньше обработки, поэтому на рынке сейчас появляется столь большое количество недорогих карманных MP3-проигрывателей.

Графическое представление звука

Итак, насколько хорошо эти схемы справляются со сжатием и уменьшением объема данных бех ухудшения качества звучания музыки? Обычное тестирование однотонным сигналом - чистой синусоидой MD и MP3 проходят с легкостью (как кодирование, так и раскодирование), и такие тесты ничего не скажут нам об эффективности этих алгоритмов.

Здесь для проверки нужен сложный сигнал с гармониками разной громкости - как в реальности - для того, чтобы посмотреть, как кодек будет определять, что может быть услышано человеческим ухом, а что - нет. На рисунках, приведенных в этой статье, мы видим, что оставили и что откинули MiniDisc и MP3.

Сначала о главном

На рисунке 1 мы видим наш сложный исходный несжатый сигнал, записанный на CD-R. Цифрой 1 отмечен участок шума особой формы во всем аудиодиапазоне по уровню -60 дБ - он соответствует тихим деталям музыки. На фоне этих "деталей" проходит сигнал переменной частоты от 100 Гц до 10 кГц (цифра 2) с уровнем -3 дБ относительно основной гармоники (частоты дискретизации), а также мы видим чистую гармонику на 18 кГц громкостью -20 дБ (цифра 3). Частота дискретизации CD равна 44,1 кГц, поэтому все звуки выше 20 кГц стремительно отфильтровываются (цифра 4).

MiniDisc с открытым забралом

В тех случаях, когда алгоритм решает, что тихий сигнал будет слышен, он записывает его полностью (цифра 6), однако, там, где ATRAC считает, что он не будет слышен на фоне сильного сигнала переменной частоты (цифра 2), он его отбрасывает (цифра 5). Для того, чтобы поддерживать скорость потока данных на низком уровне, ATRAC отбрасывает и музыкальные детали (7), прилегающие к доминирующей гармонике 18 кГц (цифра 3).

В целом ряде утерянных данных (цифра 5) мы видим параллельные бороздки (5а), которые свидетельствуют о наличии "джиттероподобных" искажений, влияющих на качество воспроизведения. И, наконец, все "сигналы" с частотами больше 20 кГц на этой записи - цифровой шум, производимый MD-рекордером (Pioneer) при воспроизведении минидиска.

MP3 - шаг вперед

Здесь нас ждут удивительные результаты: сокращение объема данных в два раза больше, а искажения формы сигнала на выходе по сравнению с MiniDisc гораздо меньше! При параметрах 44,1 кГц/128 кбит/с копия в формате MP3 показывает лишь некоторое увеличение низких (участок 9) основного сигнала переменной частоты и потерю самых высоких частот (цифра 10).

И все же, по Вашему мнению, звук какого формата будет ближе к CD?

Пол Миллер

ТАБЛИЦА СРАВНЕНИЯ ФОРМАТОВ Формат/кодек Оптимальная скорость потока данных Сжатие данных CD-R 1411 кбит/с 1:1 PASC (MPEG Layer 1) 384 кбит/с 1:4 ATRAC 290 кбит/с 1:5 MPEG Layer 2 256-192 кбит/с от 1:6 до 1:7 MP3 (MPEG Layer 3) 128-112 кбит/с от 1:11 до 1:13