HDCD (High Definition Compatible Digital)
Co se skrývá za logem HDCD na CD nosičích (vydaných více než 10 000 titulů), anebo na hifi přístrojích (CD přehrávače, DVD přehrávače, externí D/A převodníky, receivery) ? Stručně řečeno: metoda, jak uložit na CD více informací, než bylo původně navržené.
Vznik HDCD sahá až do 80. let. V tom období pronikly na trh první výrobky s Compact Disc Digital Audio (formát CD-DA vznikl už koncem 70. let). Teorie digitální techniky PCM se začala rozvíjet v polovině 20. století (Shannon-Koťelnikov teorém, Nyquistov teorém). Postupně vznikaly další úspěšné a méně úspěšné systémy, které položily základy formátu CD-DA. Sony a Philips v lednu roku 1980 společně definovali technické řešení CD-DA, obsažené v tzv. Červené knize (Red Book).
První CD přehrávače Sony se dostaly na japonský trh koncem roku 1982. Na evropském trhu se zase objevily první přehrávače Philips v březnu 1983. CD se postupně stávalo standardem. Významné bylo definování CD-Video, CD-I a CD-R. Záznamová technika se dále zdokonalovala a začala využívat systémy s 18-, 20- a v současnosti už i 24-bitovým rozlišením.
Kvantizační chyba
Nežádoucím faktorem při digitálním záznamu je kvantizační chyba. Je to vlastně rozdíl mezi skutečnou (přesnou) a "zaokrouhlenou" hodnotou po kvantizaci signálu. Víc kvantizačních chyb způsobuje vznik. tzv. kvantizačního šumu, který je vnímaný jako nelineární zkreslení. Kritickým faktorem se stává při nízkoúrovňových signálech, které se výrazně podílí na detailech hudby. Systémy používané při záznamu (např. SBM-Super Bit Mapping firmy Sony anebo Apogee UV-22) zpracovávají signál na záznamové straně. Používají různé způsoby modulace přídavného šumu a jeho přesunu do oblasti vysokých frekvencí, přičemž využívají psychoakustické vlastnosti lidského sluchu, hlavně pokles citlivosti v oblasti vyšších frekvencí. Systém se v oblasti nízkých a středních frekvencí chová jako 17- až 18-bitový a v oblasti vysokých frekvencí, naopak, jako 13-bitový. Pochopitelně, je plně kompatibilní se 16-bitovým záznamem. Přínosem je zvýšená dynamika a nižší šumové spektrum. Systém se v současnosti využívá při konverzi záznamu vytvořeného technologií DSD (Direct Stream Digital) na formát CD-DA. Mnoho systémů zase pracuje jen na straně přehrávání, většinou jde o různé způsoby digitální filtrace (například systém Alpha Procesing firmy Denon, velmi sofistikované řešení digitální filtrace firmy Wadia, Legato Link firmy Pioneer a mnoho dalších). Ani jeden však neřeší problémy digitálního záznamu komplexně.
Digitální záznam zvuku si pro dosažení dostatečné kvality vyžaduje zaznamenávat velké množství informací. Vstupní analogový signál se v D/A převodníku vzorkuje (měří se jeho okamžitá hodnota) v přesných časových intervalech. Pokud chceme zaznamenat určitou frekvenci, musíme takový signál vzorkovat s minimálně dvojnásobnou frekvencí. A na vstupu do převodníku musíme použít filtr, který velmi účinně odfiltruje všechny signály s vyšší frekvencí, než je polovina vzorkovací frekvence. To jsou dvě základní podmínky A/D převodu. Při návrhu formátu CD byla zvolená nejvyšší přenášená frekvence 20 kHz, přičemž vzorkovací frekvence 44,1 kHz byla zvolená vzhledem na kompatibilitu s tehdejšími záznamovými zařízeními, které vycházely z obrazových videorekordérů. Tyto protichůdné požadavky však kladou velké nároky na vstupní i výstupní filtry, používané při záznamu a reprodukci. Proto jsou potřebné filtry s velmi strmým přechodem mezi pásmem propouštění a utlumení signálu. Na těchto filtrech 8.-9. řádu - vzhledem k požadavku co nejvyrovnanějšího amplitudového přenosu - vznikají komplikované fázové a časové odezvy.
Historie
Profesor Keith O. Johnson při nahrávání pro nezávislou kalifornskou společnost Reference Recordings používal nejlepší digitální záznamové zařízení té doby, ale výsledný zvuk se přesto výrazně odlišoval od současně nahrávaného analogového záznamu. Jelikož ani po mnohaletém experimentování s úpravou dostupných rekordérů nebyl s výsledným zvukem spokojený, rozhodl se pro komplexní řešení. Právě omezené možnosti formátu CD-DA, hlavně tvrdé omezení ze strany Red Booku, vedli ke vzniku HDCD. Dlouholetý vývoj, množství náročných měření a intenzivních poslechových testů přineslo v roce 1992 konečně očekávané výsledky. Zrodil se systém HDCD.
Autory systému HDCD jsou tři členové firmy Pacific Microsonics z Berkley v Kalifornii. Vedoucí osobností a spoluzakladatelem je "Profesor" Keith O. Johnson, hlavní konstruktér společnosti Spectral Audio a v současnosti asi nejlepší nahrávací technik, který pracuje pro Reference Rcordings. Dalším členem je Michael "Pflash" Pflaumer, mág z oblasti digitální techniky, počítačů a počítačových sítí. Posledním z trojice je Michael Ritter, zakladatel Pacific Microsonics. Zodpovídá za ekonomickou a organizační složku.
HDCD je vysoce sofistikovaný systém s vysokou úrovní inteligence. Většina operací se realizuje hlavně na straně záznamu, čímž se podstatně snižují náklady na jeho implementaci do přehrávačů. Jeho podstata spočívá v tom, že při záznamu i při přehrávání záznamu pracuje podle algoritmů, které jsou ukryté v LSB-Least Significant Bit (nejméně významný bit), zatímco jiné systémy se používají buď jen při záznamu, anebo jen při přehrávání. Důležitým faktorem při vývoji HDCD bylo, že se musel "vměstnat" do normy CD-DA 44,1 kHz/16 bit.
Proces kódování:
A/D převod: Analogový signál vstupuje do extrémně přesného 24-bitového multibitového A/D převodníku navrhnutého společností Pacific Microsonics. Zde se vzorkuje s frekvencí 192 anebo 176,4 kHz, přičemž podle potřeby se přidává sofistikovaný dither na odstranění složek šumu a zkreslení s nižší úrovní než - 120 dB. Vzorkovací frekvence je před filtrací snížená na 96 nebo 88,2 kHz. Signál se dále ukládá do pamětí, odkud se postupně vybírá za účelem komplexní analýzy, která je základem procesu HDCD a je nevyhnutelná před konverzí na formát 44,1 kHz/16 bit. Samotné složité výpočty realizuje 8 DSP procesorů Motorola 56007 s výpočetním výkonem několik desítek miliónů operací za sekundu.
Výběr filtru pro konverzi: 96/88,2 kHz signál je pomocí HDCD aktivního konverzního filtru, patentovaného Pacific Microsonics, převedený na 48/44,1 kHz. Standardní konverzní filtry používají pevný 22,05 kHz anti-alliasing filtr, avšak výzkum ukázal, že neexistuje žádný vhodný pevný alliasing filtr, který by se choval neutrálně pro všechny druhy hudby. Příčinou je nízká frekvence a požadovaný ostrý přechod mezi propouštěným a nepropouštěným pásmem. Pevný konverzní filtr 44,1 kHz často způsobuje, že výsledný zvuk se velmi liší od původního analogového anebo digitálního záznamu s vysokou frekvencí vzorkování. Naopak, HDCD procesor v reálném čase analyzuje zpracovávaný signál a dynamicky vybírá vhodný typ průběhu anti-alliasing filtru tak, aby výstupní 44,1 kHz signál obsahoval co nejmenší zkreslení a jeho zvukové vlastnosti co nejvíce kopírovali vstupní signál.
Kódování amplitudy/struktura zesílení: HDCD dekodér umožňuje použít další dvě funkce při redukci 44,1 kHz signálu z 24-bitového na 16-bitový, přičemž se zachovává mnoho výhod 24-bitového záznamu.
Peak Extended je reversibilní měkký limitér, který umožňuje nahrávacímu technikovi bez přebuzení zvýšit špičkovou úroveň až o 6 dB. Při přehrávání s dekodérem HDCD jsou tyto špičky přesně rekonstruované. Zvýšením úrovně o 6 dB se posunou všechny vzorky z rozsahu -51 dB až -9 dB do rozsahu -45 až -3 dB. Tím se zvýší rozlišení těchto vzorků o 1 bit a výskledkem je jemnější vzorkování a nižší kvantizační zkreslení. Když se při přehrávání nepoužije dekodér, Peak Extended se chová jako excelentní limitér.
Low Level Range Extended funkce se používá na zvýšení rozlišení nízkoúrovňových signálů od úrovně -45 dB v 4 dB krocích. Původní signál o hlasitosti např. -85 dB, kde jsou u systému CD-DA k dispozici pouze dva až tři bity, je u HDCD posunut do oblasti cca o 20 dB hlasitější (o 6 dB díky Peak Extended, protože celá skladba je o 6 dB posunuta, a o zbytek díky použití Low Level Range Extended). Na této úrovni je již k dispozici vzorek o délce šesti až sedmi bitů, čili rozdíl skutečně značný a kvantizační zkreslení je zde cca desetkrát menší. Při přehrávání s použitím dekodéru se zrcadlově přidává zesílení za předpokladu nižšího rozlišení než 16 bitů. Při přehrávání bez dekodéru zvýšení zisku kompenzuje nedostatky v nízkoúrovňovém rozlišení laciných CD přehrávačů a produkuje zvuk o mnoho podobnější master záznamu s vysokým rozlišením.
Obě tyto funkce jsou volitelné podle zvukových vlastností zaznamenaného materiálu.
Přidání skrytých kódů / výstupní dithering / kvantizace: Posledním krokem při redukci do 16-bitového formátu je přidání vysokofrekvenčního filtrovaného šumu (dither) a následná konverze na 16-bitové rozlišení. Dither s rozsahem 16-22,05 kHz (pseudonáhodný šum) slouží na maskování kvantizačního šumu při konverzi na 16 bitů. Pseudonáhodný šum jako část výsledné kvantizace skrývá vložený kód v LSB (nejméně významném bitu) audiosignálu. Skrytý kód nastavuje typ konverzního filtru i parametry Peak Extended a Low Level Range Extended. Skrytý kód je neslyšitelný a je vložený jen 2-5% z celkového času, přičemž neomezuje plnohodnotné 16-bitové rozlišení.
Dekódování a digitální filtrace
Dekódovací proces umožňuje maximální využití zakódovaných nahrávek a rovněž pracuje jako 20-bitový digitální filtr s 8-násobným převzorkováním pro HDCD kódované, ale i standardní nahrávky. Proces se začíná v HDCD dekodéru vyhledáním skrytého kódu z nejnižšího LSB v audiosignálu, potřebného na dekódování povelů. Signálové špičky, omezené pomocí Peak Extended, a nízkoúrovňové signály jsou za pomocí komplementárního filtru k anti-allias filtru, použitému v A/D převodníku, opětovně zrekonstruované v původním rozlišení s dynamickým rozsahem 20 bitů. Při dekódování se využívá proces řízení zisku, a to buď interně v dekodéru (v digitální části), nebo externě v analogových obvodech. Řízení zisku probíhá při Peak Extended, když pokles průměrné úrovně o 6 dB při kódování přináší zisk "extra" 6 dB při přehrávání. Tím dostáváme vyšší dynamický rozsah o 6 dB.
Při režimu Non Peak Extended je dynamický rozsah stejný jako při přehrávání na CD přehrávači bez dekodéru. Obvod přitom dokáže zpracovat i CD nosiče, které byly nahrané s preemfází.
Signál může být dále zpracovávaný ve formátu 96 anebo 88,2 kHz, případně dále interpolovaný do 2-, 4- či 8-násobného převzorkování pro napájení běžných 16- až 24-bitových převodníků. Mimo to umožňuje zvolit jednu z 8 různých úrovní ditheru, použitelných na optimální přizpůsobení D/A převodníku. Úloha ditheringu leží hlavně v nadakustické oblasti při módu 0-6, mód 7 využívá trojúhelnikovité rozložení spektrální hustoty.
Praktický přínos:
Ikdyž se na první pohled zdá, že HDCD proces je určený pro CD Audio 44,1 kHz/16 bit, jeho vynikající vlastnosti se využívají i v multikanálových audioformátech s vysokým rozlišením DVD Audio a DTS. Při použití procesingu pro formáty s vysokým rozlišením je slyšitelný podstatně větší rozdíl mezi klasickým zpracováním a procesem HDCD než při porovnání ve formátu CD Audio 44 kHz/16 bit.
V subjektivním hodnocení při přehrávání má systém lepší prostorové zobrazení a detailnost, hlavně v podání nízkoúrovňových partií, přičemž velmi podstatná je jeho přímá kompatibilita s CD formátem. Při přehrávání záznamu přes dekodér HDCD se reprodukovaný signál blíží k záznamu s 20-bitovým rozlišením. Přitom rozdíl mezi 16-bitovým a 20-bitovým záznamem je o mnoho větší než mezi 20- a 24-bitovým.
Samozřejmě, použití HDCD dekodéru neudělá z průměrného CD přehrávače špičkový model, ale poctivě vyrobeným a navrhnutým přístrojům umožní posunout reprodukci digitálního zvuku o krok blíže k originálnímu záznamu.
Je třeba myslet i na to, že ani nejprogresivnější systémy, ať je to HDCD, SACD či DVD-Audio, nevyřeší problémy související se samotnou kvalitou záznamu a jeho zpracováním. Ty jsou především v rukou těch, kteří se podílí na vzniku nahrávky a výrobě nosičů.
© EXCELIA HIFI