Super Audio CD : Μια Τεχνική Παρουσίαση

Εισαγωγικά

Όταν κατά την δεκαετία του '80 εισήχθη η ψηφιακή ηχογράφηση στο χώρο της μουσικής, δόθηκε η δυνατότητα να αναπτυχθεί ένα ψηφιακό format εγγραφής απαλλαγμένο από τον θόρυβο και τις παραμορφώσεις των αναλογικών μέσων αναπαραγωγής. Για την ψηφιακή ηχογράφηση αναπτύχθηκε μια μέθοδος γνωστή ως PCM (Pulse Code Modulation). Παρά τα πλεονεκτήματα του ψηφιακού φορμά ηχογράφησης και αναπαραγωγής, δεν είναι δυνατόν να προκύψει ένα απόλυτα πιστό ηχητικό ψηφιακό σήμα ιδιαίτερα σε ότι αφορά τα λιγότερο θορηβώδη περάσματα, όπου ο στόχος είναι να μεταφερθεί το feeling της ατμόσφαιρας κατά την διάρκεια της παράστασης. Σε μια προσπάθεια να προσεγγιστεί όσο το δυνατόν πιστότερα το αναλογικό σήμα, έχει αρχίσει να αναπτύσσεται μια μέθοδος γνωστή ως DSD (Direct Stream Digital) στην εξέλιξη της οποίας βασίζεται το Super Audio CD που εισάγεται από τις εταιρείες Philips και Sony (δημιουργούς και του αρχικού CD).

Το Super Audio CD (SACD από εδώ και στο εξής) ενσωματώνει μια σειρά από νέες τεχνολογίες, οι κυριότερες από τις οποίες θα παρουσιαστούν στις επόμενες παραγράφους.

Direct Stream Digital (DSD) κωδικοποίηση πηγής.

Από την εισαγωγή της μεθόδου PCM για ηχογράφηση έχουν γίνει αρκετές αυξήσεις στον ρυθμό δειγματοληψίας και στο bit rate προκειμένου να βελτιωθεί η ποιότητα του ηχογραφημένου ψηφιακού ηχητικού σήματος. Παρόλα αυτά, οι βελτιώσεις που μπορούν να επιτευχθούν πάντα θα περιορίζονται από το γεγονός του φιλτραρίσματος που πρέπει να γίνει. Κάθε PCM σύστημα απαιτεί απότομα φίλτρα στην είσοδο που θα αποκόπτουν εντελώς κάθε σήμα στο μισό (ή και παραπάνω) της συχνότητας δειγματοληψίας. Για παράδειγμα, στο απλό CD η συχνότητα δειγματοληψίας που χρησιμοποιείται είναι 44.1 kΗz, οπότε τα φίλτρα εισόδου πρέπει να περάσουν 20kHz audio και να απορρίψουν οτιδήποτε παραπάνω από την συχνότητα αυτή. Επίσης εισάγεται θόρυβος επανακβαντοποίησης (re-quantization noise) από την πολυβάθμιδη υποδειγματοληψία των ψηφιακών φίλτρων που χρησιμοποιούνται κατά την ηχογράφηση και την πολυβάθμιδη υπερδειγματοληψία των ψηφιακών φίλτρων κατά την αναπαραγωγή. Το πρόβλημα αυτό αποτελεί την πηγή έμπευσης της μεθόδου Direct Stream Digital. Βασικά αποτελεί ένα νέο τρόπο σύλληψης που εξαλείφει την υποδειγματοληψία και υπερδειγματοληψία των υπάρχοντων διαδικασιών. Όπως και στα PCM συστήματα, το αναλογικό σήμα μετατρέπεται πρώτα σε ψηφιακό μέσω μιας 64x oversampling delta-sigma κωδικοποίησης. Το αποτέλεσμα είναι ένα 1-bit ψηφιακό audio σήμα. Αντί το σήμα αυτό να υποβιβαστεί άμεσα σε PCM κώδικα, η Direct Stream Digital μέθοδος καταγράφει το bit αυτό απευθείας. Στο Σχήμα 1 φαίνονται συγκριτικά οι δύο μέθοδοι από την εγγραφή ως την αναπαραγωγή :

Σχήμα 1.

Ο delta-sigma αναλογικός - σε - ψηφιακό κωδικοποιητής βασικά αποτελείται από έναν ολοκληρωτή, ένα κβαντιστή 1-bit και ένα μονοπάτι αρνητικής ανατροφοδότησης (Σχήμα 2).

Σχήμα 2.

Το πλάτος του αναλογικού σήματος εισόδου αναπαριστάται από την πυκνότητα των παλμών εξόδου. Η πυκνότητα των παλμών εξόδου αυξάνει όσο αυξάνει το πλάτος του σήματος εισόδου (Σχήμα 3).

Σχήμα 3.

Οι πολύ υψηλοί λόγοι σήματος προς θόρυβο που απαιτεί η DSD στην audio μπάντα επιτυγχάνονται τυπικά μέσω ενός 5ης τάξης delta-sigma κωδικοποιητή. Αυτοί αποτελεσματικά μετατοπίζουν τον θόρυβο σε υψηλότερες συχνότητες, έξω από την audio μπάντα (noise shaping - Σχήμα 4).

Σχήμα 4.

Τα καλύτερα 30ips μισής ίντσας αναλογικά συστήματα εγγραφής μπορούν να καταγράψουν συχνότητες μέχρι 50 kHz. Το DSD μπορεί να αναπαραστήσει αυτό με απόκριση συχνότητας από DC μέχρι 100kHz. Για να καλύψει την δυναμική περιοχή μιας καλής αναλογικής κονσόλας μίξης, η ισχύς του residual θορύβου κρατείται στα -120dB μέσα στην ακουστική μπάντα.

Σχήμα 5.

Multi - Channel Disc.

Η μη απολεστική μέθοδος κωδικοποίησης Direct Stream Transfer (DST), καθιστά εφικτή την αποθήκευση σε ένα δίσκο 70 - 80 λεπτών τόσο stereo όσο και και πολυκάναλου περιεχομένου. Ξεχωριστές περιοχές του δίσκου αφιερώνονται στο στερεοφωνικό και στο πολυκάναλο περιεχόμενο, παρέχοντας έτσι την ευελιξία στους καλλιτέχνες να παρέχουν δύο διακριτά mixes του ίδιου περιεχομένου σε ένα δίσκο. Επιπρόσθετα, μια επιπλέον περιοχή δεδομένων κρατείται για επεκτάσεις του format που θα καταστήσουν μελλοντικά εφικτή την συμπερίληψη έξτρα πληροφορίας όπως στίχοι, credits και εικόνες.

Σχήμα 6.

Ο πολυκάναλος ήχος που υποστηρίζεται από το SACD δίνει την δυνατότητα πιστής καταγραφής της ακουστικής ενός συναυλιακού χώρου. Παρόλα αυτά τα διακριτά surround κανάλια, που είναι εντελώς ξεχωριστά από κύρια μπροστινά κανάλια, μπορούν θεωρητικά να χρησιμοποιηθούν για να ηχογραφήσουν οποιοδήποτε περιεχόμενο επιθυμεί ο καλλιτέχνης ή ο παραγωγός. Από ηχητικά εφέ, ηχητικές ανακλάσεις από πίσω ή άλλες πρωτότυπες τεχνικές ηχογράφησης. Από την άλλη, παλιότερες 3 - κάναλες ή 4 - κάναλες ηχογραφήσεις μπορούν να επανακυκλοφορήσουν σε πιστά αντίγραφα σε SACD format.

Ένα τυπικό πολυκάναλο SACD σύστημα αναπαραγωγής περιλαμβάνει ένα πολυκάναλο player, ένα πολυκάναλο ενισχυτή και τον απαιτούμενο αριθμό ηχείων. Στο (Σχήμα 7) που ακολουθεί τα πέντε ηχεία τοποθετούνται τυπικά σε ένα κύκλο γύρω από τον ακροατή, σύμφωνα με τις ITU προτροπές και το έκτο κανάλι χρησιμοποιείται για την ενίσχυση των χαμηλών συχνοτήτων (sub-woofer).

Σχήμα 7.

Τεχνολογίες Προστασίας Περιεχομένου.

Το SACD προσφέρει πέντε γραμμές προστασίας ενάντια στην παράνομη αντιγραφή του περιεχομένου του. Κάθε μία από τις γραμμές αυτές θέτει διαφορετικά εμπόδια σε κάθε προσπάθεια πειρατείας και λειτουργεί ανεξάρτητα έτσι ώστε ακόμα και αν κάποια από αυτές «σπάσει», οι υπόλοιπες συνεχίζουν να προστατεύουν το περιεχόμενο του δίσκου. Η πρώτη γραμμή «άμυνας» συνίσταται στην αδυναμία των σύγχρονων CD-ROMs των υπολογιστών να διαβάσουν δεδομένα από ένα SACD δίσκο. Η δεύτερη γραμμή «άμυνας» εξασφαλίζει ότι ακόμα και να έχει αντιγραφεί ένα SACD, αυτό δεν μπορεί να διαβαστεί. Η επόμενη γραμμή συνίσταται στην δυσκολία και το κόστος του hacking του scrambling ενός SACD και στο γεγονός ότι αυτό θα πρέπει να γίνεται για κάθε τίτλο ξεχωριστά. Επίσης οι λεπτομέρειες του scrambling συστήματος δεν αποκαλύπτονται ποτέ.

Συγκεκριμενοποιώντας τις παραπάνω αναφερθείσες τεχνολογίες :

   - Ιnvisible Watermark : η «αόρατη» υδατογραφία καλείται επίσης και PSP-PDM (Pit Signal Processing - Physical Disc Mark). Το PSP-PDM είναι πολύ δύσκολο να γραφτεί σε ένα εγγράψιμο δίσκο. Μπορεί να χειριστεί μόνο με SACD licenced εξοπλισμό. Το PSP-PDM χρησιμοποιείται για τον έλεγχο αναπαραγωγής (η παρουσία του είναι απαραίτητη για να ξεκινήσει η αναπαραγωγή ενός SACD δίσκου). Επίσης το PSP-PDM χρησιμοποιείται για έλεγχο πρόσβασης στο περιεχόμενο (μέρος του κλειδιού descrambling (αποδιαμόρφωσης)) είναι κρυμμένο στο PSP-PDM.

   - Content Access Control : το DSD περιεχόμενο είναι διαμορφωμένο χρησιμοποιώντας το SACD cipher. Ο κρυπτογραφικός αλγόριθμος του SACD είναι ένας σύγχρονος stream cipher. Η γεννήτρια του key-stream που χρησιμοποιείται σε αυτόν τον stream cipher βασίζεται σε ελεγχόμενους από το ρολόι καταχωρητές ολίσθησης. Ο αλγόριθμος κρυπτογραφησης είναι βελτιστοποιημένος για να επιτυγχάνεται υψηλή απόδοση σε hardware. Ο αλγόριθμος αυτός χρειάζεται 2 κλειδιά για την αποδιαμόρφωση του σήματος :

1. το PSP-PDM κλειδί που είναι κρυμμένο στο δίσκο
2. τις «αρχικές τιμές», ένα κλειδί που είναι κρυμμένο στο IC (Integrated Circuit - Ολοκληρωμένο Κύκλωμα). Η τιμή αυτών των κλειδιών δεν είναι διαθέσιμη έξω από ένα μεμονωμένο IC και δεν μεταδίδεται ανάμεσα σε ICs.

   - SACD mark : Disc Access Control : το SACD mark αποκρύπτει ορισμένες παραμέτρους του δίσκου. Τα drives χρειάζονται αυτήν την πληροφορία πριν μπορέσουν να ξεκινήσουν την ανάγνωση του δίσκου. Έτσι ένα μη-συμμορφωμένο με το standard drive δεν θα μπορέσει να πάρει καθόλου πληροφορία από οποιονδήποτε SACD δίσκο.

   - Playback Control : η DSD αναπαραγωγή επιτρέπεται μόνο όταν το PSP mark βρεθεί.

Σχήμα 8.

Tύποι SACD Δίσκων.

Το SACD προσφέρεται σε τρεις διαφορετικές παραλλαγές. Ο Δίσκος Μιας Στρώσης (Single Layer Disc) ο οποίος περιέχει ένα υψηλής πυκνότητας στρώμα, ο Δίσκος Δύο Στρώσεων (Dual Layer Disc) που περιέχει δύο στρώσεις υψηλής περιεκτικότητας για έξτρα χρόνο εγγραφής και τέλος ο Υβριδικός Δίσκος (Ηybrid Disc) που περιέχει ένα στρώμα υψηλής πυκνότητας και ένα standard CD στρώμα που επιτρέπει την αναπαραγωγή του δίσκου σε οποιοδήποτε συμβατικό CD player.

Σχήμα 9.

Ένας full-loaded δίσκος είναι ένας υβριδικός δίσκος και μπορεί να περιλαμβάνει μια σειρά από χαρακτηριστικά που εικονίζονται στο σχήμα που ακολουθεί. Όλες οι άλλες παραλλαγές δίσκων μπορούν να θεωρηθούν υποσύνολα του δίσκου αυτού.

Σχήμα 10.

Super Bit Mapping Direct.

Η καταναλωτική αγορά κυριαρχείται από συστήματα αναπαραγωγής που σχετίζονται με το CD. Η κυριαρχία αυτή του CD οδηγεί στην απαίτηση για κάποια τεχνολογία που να μετατρέπει τα 1-bit DSD σήματα σε 16-bit PCM για διανομή σε CD. H τεχνολογία αυτή καλείται Super Bit Mapping Direct.

Θεωρητικά μια τέτοια μετατροπή (από 1bit/64fs σε 16bits/1fs) δεν είναι δύσκολη. Κάθε DAT εγγραφέας και A/D μετατροπέας περιλαμβάνουν κυκλώματα που κάνουν πάνω κάτω το ίδιο πράγμα. Η τεχνολογία Super Bit Mapping Direct εισάγεται για να γίνει η μετατροπή αυτή με τις μικρότερες δυνατές παραχωρήσεις στην ποιότητα του σήματος.

Για να επιτευχθεί η ζητούμενη ποιότητα, η λύση είναι να φιλτραριστεί και να διαμορφωθεί το DSD σήμα σε ένα μόνο στάδιο. Έτσι τα requantizing σφάλματα που προκύπτουν ανάμεσα σε διαφορετικά στάδια μπορούν να εξαλειφούν. Το aliasing μπορεί να ελαχιστοποιηθεί και το ripple να μειωθεί. Η Sony έχει σχεδιάσει ένα ενός σταδίου FIR ψηφικό filter/noise shaper με 32639 συντελεστές. Αυτό αποτελεί τον επεξεργαστή πραγματικού χρόνου Super Bit Mapping Direct.

Με το Super Bit Mapping Direct κύκλωμα μετατροπής δίνεται η δυνατότητα να προσεγγιστεί 20 με 24 bits ακρίβεια από ένα 16bit ψηφιακό audio σήμα και η DSD ηχογράφηση να γραφτεί σε CD με σαφέστατα καλύτερη ακουστική ποιότητα.

Σχήμα 11.

Σχήμα 12.

          ΠΗΓΕΣ.

Το παραπάνω κείμενο βασίζεται σε πληροφορίες που δημοσιεύονται από τις εταιρείες που εισάγουν το Super Audio CD (Sony - Philips). Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να βρεθούν στο site : http://www.superaudio-cd.com.
Το άρθρο αυτό ΔΕΝ διατίθεται με CreativeCommons Άδεια Χρήσης του ιστοτόπου. Οι εταιρείες/συγγραφείς του άρθρου έχουν τα διακαιώματα χρήσης του.