Pre-emphasis, 44100 Hz или может ли СД-копия звучать как оригинал

Иногда можно услышать спор среди любителей музыки о том, может ли цифровая копия звучать хуже оригинала.
Это покажется странным, но действительно при копировании ряда дисков распространенным программным обеспечением вы получите копию с идентичными 1:1 битами, но с другим звучанием, в чем сможете легко убедиться записав болванку.

В действительности магии в этом нет, нужно знать лишь один нюанс.
В начале эры появления СД-аудио дисков, в 80-х годах, ряд дисков при записи использовал механизм pre-emphasis. Суть его заключалась в том, что, для того чтого чтобы снизить шум и расширить динамическей диапазон, слабые и более высокие частоты сигнала усиливаются и таким образом записываются на диск. Т.е. запись производится с искаженной АЧХ. О том, что над сигналом проведена такая операция, в суб-канал записывается особый бит сообщающий о наличии pre-emphasis обработки звука.
Соответственно СД-проигрыватель при чтении СД-диска считывая суб-канал видит, что к звуку применен механизм pre-emphasis и применяет для востановления АЧХ обратную процедуру de-emphasis.

На дисплее СД-проигрывателя Kenwood DP-7090 горит красным надпись Emphasis свидетельствующая о том, что диск Sandra «The Long Play» записан с искаженной АЧХ и проигрыватель производит ее обратное востановление.

 

При de-emphasis оригинальные частоты будут восстановлены, а шум от аналоговых/цифровых преобразований тише, чем это было  до pre-emphasis. Поэтому мы получим лучший звук, чем если бы диск был записан без этой технологии.

Поэтому вы в своей практике увлечения звуком легко можете встретить диски, включая первопрессы, который записаны с pre-emphasis. Например это широко известный первопресс альбома Майкла Джексона «Thriller».

Если вы скопируете такой диск по цифровому интерфейсу на компьютер, он скорее всего потеряет данные субканалов, где указано, что он pre-emphasis. И соответственно в дальнейшем вы записав его на диск будете слушать искаженную по АЧХ версию, которая заметно будет отличаться от оригинала. Это отличие казалось бы идентичной копии и вызывает иногда споры о том, что маловероятно сделать идеальную копию.

Технология pre-emphasis продержалась до конца 80х, когда ее вытеснили более продвинутые и лучшие методики записи дисков (например K2 начиная с 1987 года от компании JVC).
Большинство дисков с pre-emphasis были выпущены в Японии в начале 80х и до их середины.
Но хотя эта технология фактически сейчас похоронена, даже сейчас, некоторые небольшие лейблы выпускают диски в основном с классической музыкой с pre-emphasis!
Так же есть некая путаница с наличием этого флага вводящая некоторые проигрыватели в прострацию. Наличие pre-emphasis прописано в виде установленного особого бита в субканале. Но так же эти данные должны дублироваться в таблицу содержания TOC на компакт-диске. Но не редки случаи, что в TOC нет записи о наличии pre-emphasis, а на самом деле pre-emphasis применен, о чем свидетельствует установленный бит в субканале. Другими словами, по правильному, если есть pre-emphasis, то это должно быть указано и в субканале и в ТОС, но это происходит не всегда.
В силу того, что крупные лейблы сейчас не выпускают диски с pre-emphasis некоторые современные проигрыватели разучились понимать этот флаг и выполнять de-emphasis. На таких проигрывателях диски с pre-emphasis звучат искаженно, с доминирующими высокими частотами. В СД-проигрывателях 80х годов de-emphasis выполнялся прозрачно, но на некоторых аппаратах была кнопка его ручного включения/отключения.
Сама технология de-emphasis имеет несколько вариантов, наиболее применяемый — отклонение СЧ/ВЧ кривой на -10 дБ на частоте более 20 000 Гц.
Прочитав эти ужасы, вы возможно задаетесь вопросом, так можно ли скопировать диск получив абсолютно точную копию.
В первой части этой статьи я даю положительный ответ (но не в том, о чем вы прочитаете ближе к концу материала). Чтобы точно скопировать CD-audio диск вам нужно использовать программное обеспечение, которое работает с субканалами.
Прежде всего это итак известный всем любителям хорошего звука EAC. Он видит флаг pre-emphasis и учитывает его при риппинге и записи.

EAC

Кроме того pre-emphasis учитывают последние версии программ Windows Media, iTunes, cdda2wav (с флагом -Т), cddeemph, WaveEmph, SoX, foobar2000 (с плагином foo_dsp_deemph и foo_deemph).
Так же использует в своей работе субканалы популярная программа записи imgburn.
Из этого следует, что для получения точной копии CDDA вам нужно программное обеспечение, которое бережно запомнит данные из субканалов и перенесет в копию.
Сможет ли ваш сд-проигрыватель проиграть диск с pre-emphasis — это уже вопрос к модели проигрывателя.
Но возвращаясь к первой части вопроса о получении точной копии и его ответа — да, мы можем получить точную копию, не стоит забывать и о второй части неявного ответа.
Эту копию мы в дальнейшем для процедуры de-emphasis, что логично, запишем на болванку.
Но если вы давно увлекаетесь качественным звуком, то знаете, что есть явно слышимые различия между звучанием штампового диска с завода и болванки.
Почему это так происходит. Плавающий на поверхности ответ очевиден — разные отражающие способности слоя диска дают такой эффект. Со штампованного диска мы получаем более сочное изображение, которое может быть более точно интерпретировано для получения верных значений.
Просто посмотрите на фотоографию поверхности аудиодиска сделанную через микроскоп, чтобы понять и вторую причину — качество отпечатка.

Самописная болванка CD-R

Заводская штамповка — фирменный диск

Очевидно, что на болванке невнятно отражающая копия не сравнится с четким сочным оттиском фирменной штамповки. Отсюда идут и различия в звучании.

Еще одна фотография болванки с микроскопа

Но вы знаете, что аудио-компакт диски содержат избыточные данные, а так же механизмы исправления ошибок на диске по коду Рида-Соломона.
Начну с конца. Суть исправления ошибок по методу кода Рида-Соломона в том, что по диску разбросаны проверочные символы для груп битов, с помощью которых вы можете востановить утеряные значения битов. Ошибочными могут быть как одиночные биты (ошибки С1), так и группы битов (ошибки С2).
По теореме границы Рейгера видно, что чем больше ошибок мы желаем исправить, тем больше проверочной информации должно содержатся на диске, и нужен некий баланс между тем сколько мы готовы исправить данных и сколькими готовы пожертвовать. Если проще и более доступным языком — ряд ошибок на поврежденном СД-аудио диске исправляется по коду Рида-Соломона, но не все. Если ошибок очень много — будут потери.
Следует помнить, что частота сэмплирования 44100 Hz является наследием от видеорекордеров 70х и работавших с ними PCM-конвертеров (например в модели Sony PCM-1600).

Логично, что первые цифровые аудиозаписи выполнялись на видеокассеты с означенной (44100 Hz) частотой.
Относительно 44100 Hz между Philips и Sony была мощная дискуссия, но обоснованность именно этой частоты лежит в общеизвестной теореме Котельникова.
Какими же еще могли быть частоты?
В соответствии со стандартом NTSC и его 60Hz
245 линий × 60 полей × 3 сэмпла в линии = 44,100 сэмплов в секунду
60/0.001=59.94 Hz
44100/0.001=44.056
Компания Филипс на основе рассчетов выше предлагала частоту 44000 Hz.
Но в этом споре победила Sony настояв на стандарте PAL.
294 × 50 × 3 = 44,100
294 активных линий/поле × 50 полей в секунду × 3 сэмпла в линии = 44,100 сэмпла в секунду
Аналогично Sony продавила и стандарт 16 бит, вместо предложенных компанией Philips 14 bit.
Так вот все это описание к тому, что занимаемый объем информации при параметрах 44100/14 бит и 44100/16 бит разумеется разный.
А следовательно на компакт диске, хотя изначально было задумано, но фактически не реализовано, не осталось места для избыточных данных, кроме небольших участков на хранения проверочных символов для реализации кода Рида-Соломона.
В целом код Рида-Соломона имеет избыточность 25% позволяя обнаружить до четырех ошибочных байтов и корректировать до четырех потерянных или двух ошибочных байтов. Максимальная длина полностью исправляемого пакета ошибок — около 4000 бит (~2.5 мм длины дорожки), однако не любой пакет такой длины может быть полностью исправлен.
Резюмируя все вышесказанное приходим к заключению, что хотя скопировать относительно точно данные с аудио  компакт-диска возможно, но для этого нужно специальное программное обеспечение, которое способно определить, что диск записан с предъискажениями и имеет соответствующий флаг об этом в субканале, а физическое состояние самого диска должно быть идеальным.
При использованиее программного обеспечения не умеющего корректно работать с субканалами флаг будет потерян.
Копия на самописной болванке в любом случае окажется более блеклым «отпечатком» оригинала и в звучании скорее всего будет слышимо отличаться от «фирменного» диска.