Dźwięk cyfrowy - nie taki diabeł straszny…

Zacznijmy od tego, że dyskusja o wyższości technologii cyfrowej nad analogową (i vice versa) trwa od momentu pojawienia się na rynku pierwszych urządzeń wykorzystujących proces cyfrowego przetwarzania dźwięku, a więc już od ponad trzydziestu lat. Jak nie trudno odgadnąć, każda z technologii zdążyła w tym czasie zjednać sobie zagorzałych zwolenników i przeciwników – a nawet wrogów – mnożących liczne „dowody” dla uzasadnienia własnych stanowisk. Rzecz w tym, że ten spór – o czym już wspomniałem – trwa na tyle długo, by znaczna część prezentowanych argumentów, w naturalny sposób oderwała się od  jakichkolwiek technicznych podstaw i przeniosła w sferę mitów. Mam nadzieję, że materiał ten pozwoli na eliminację błędnych wyobrażeń.

CYFRA CZY ANALOG?

Zarówno urządzenia analogowe jak i cyfrowe, zostały zaprojektowane dla wykonywania określonych zadań. Tych samych zadań, choć wykonywanych w różny sposób, ze względu na odmienne cechy ich konstrukcji. Sytuacja w tym przypadku jest bliźniaczo podobna do silników – benzynowego i Diesla. Każdy z nich przeznaczony jest do wykonania tego samego zadania, czyli dostarczenia mocy, by pojazd mógł się przemieszczać z jednego miejsca w inne miejsce. Jednak z doświadczenia wiemy, że opinie na temat rodzaju silnika są mocno podzielone, a to sprawia, że użytkownicy pojazdów preferują określony typ silnika z przekonaniem, że ma on przewagę nad tym drugim, w odniesieniu do wielu różnych sytuacji.

Zarówno urządzenia analogowe jak i cyfrowe, zostały zaprojektowane dla wykonywania określonych zadań – tych samych, choć wykonywanych w różny sposób.

Taki sam mechanizm – zwykle oparty bardziej na przekonaniu, niż dowodach – dotyczy porównania systemów analogowych i cyfrowych, w zakresie urządzeń przeznaczonych do nagrywania, miksowania oraz przetwarzania sygnału w szeroko rozumianym zakresie. W wielu prowadzonych rozważaniach, często podnoszonym argumentem są zniekształcenia, które w systemach analogowych przedstawiane są jako przyjazne dla ucha, natomiast w systemach cyfrowych, jako bezwarunkowo destrukcyjne. Niestety, jest to tylko częściowo prawdziwa opinia, bo istotnie, w niektórych przypadkach wyraźnie słyszalne zniekształcenia wprowadzane przez urządzenia analogowe – na przykład podczas procesu nagrywania – stanowią interesujące, kreatywne dopełnienie rejestrowanego materiału, ale w wielu innych, rozpraszają one uwagę i szybko stają się irytujące dla słuchacza. Zakres dynamiki – o wiele szerszy w urządzeniach cyfrowych – jest nieoceniony podczas realizacji złożonych produkcji muzycznych, gdzie przy dużej liczbie przetwarzanych sygnałów, system analogowy znacznie łatwiej pogrążyłby się w chaosie szumów sumowanych na szynach miksujących.

Przedstawione przykłady (również te z silnikami) obrazują, że w rzeczywistości sami tworzymy sobie „świat” w jakim chcemy funkcjonować i nie zawsze daje się go obiektywnie ocenić w kategoriach poprawny-błędny, dobry-zły, czy właściwy lub nieakceptowalny. Nie o kategoryczne osądy zresztą tu chodzi, ale o to, by zrozumieć techniczne i praktyczne ograniczenia każdej z dwóch technologii, docenić prostotę, niekonwencjonalne możliwości urządzeń, a także nauczyć się, kiedy wygodniej jest korzystać z jednego lub drugiego systemu.  

CHAOS WOKÓŁ PRÓBKOWANIA

Wiele błędnych przekonań dotyczących cyfrowego przetwarzania dźwięku powstało prawdopodobnie w wyniku omówień procesu próbkowania. Najczęściej wynikają one z nadmiernych uproszczeń stosowanych przez wielu wykładowców, próbujących jak najsugestywniej zobrazować to z natury złożone pojęcie. Sam bardzo często odwołuję się w różnych sytuacjach do skojarzeń oraz uproszczeń, starając się w przystępny sposób wyjaśnić dane zjawisko. Przyznam szczerze, że zawsze mam duże wątpliwości, czy wybrany sposób oraz przykłady pozwolą w pełni zachować sens i czy nie zagmatwają jeszcze bardziej, zamiast ułatwić zrozumienie tego, co staram się przystępnie wytłumaczyć.

Klasycznym błędem, z jakim spotykałem się wielokrotnie, który popełniany jest podczas rozważań na temat cyfrowego dźwięku, jest porównywanie procesu próbkowania z filmem. Niestety, próbkowanie w przypadku dźwięku ma w rzeczywistości niewiele wspólnego z tworzeniem obrazu filmowego, gdyż proces ten przebiega w zgoła inny sposób. Metoda układania obrazków (kadrów) oparta jest na dramatycznie prymitywnym „próbkowaniu”, w wyniku którego film kreuje jedynie złudzenie ruchu. Dzięki utrwalaniu i zmienianiu w stosunkowo wolnym tempie sekwencji statycznych obrazków, film wykorzystuje specyfikę (ułomność) percepcji narządu wzroku w połączeniu ze zdolnością interpretacyjną ludzkiego mózgu, który tworzy – nie odtwarza, a właśnie sam tworzy – realistyczne wrażenie ruchu. Film nie przekazuje (bo nie może) pełnej informacji zawartej w falach światła odbitego od elementów danej sceny filmowej podczas wykonywania ujęć, by następnie precyzyjnie je odtworzyć. Film nie przekazuje wiernie nawet zjawiska ruchu, czego doskonałym przykładem są wczesne obrazy filmowe, w których widzimy koła powozów konnych obracające się w kierunku przeciwnym do kierunku jazdy, czyli odwrotnie niż ma to miejsce w rzeczywistości. Co więcej, patrząc na ekran z pewnej odległości, z łatwością zauważamy migotanie wyświetlanego obrazu oraz liczne detale, które potwierdzają jego „umowny” związek ze sfilmowaną rzeczywistością.

Bez względu na to czy mówimy o radiowej modulacji AM, czy o próbkowaniu dźwięku, potrzeba ograniczenia szerokości pasma wynika z powstawania wstęg bocznych, które towarzyszą każdemu procesowi modulacji.

W przeciwieństwie do opisanej wcześniej sytuacji z filmem, próbkowany dźwięk jest absolutnie dokładny w znaczeniu wiernego transportowania pełnego sygnału audio z punktu A do punktu B. Przedstawianie matematycznych dowodów nie jest w przypadku moich rozważań konieczne. Szczerze mówiąc nie jest konieczne również dlatego, że matematyka nigdy nie była moją ulubioną dziedziną nauki. Warto jednak w tym miejscu powiedzieć, że istnieją bardzo zgrabne, matematyczne dowody dla procesu próbkowania i tą informacją z wątkiem matematycznym bezpiecznie się już pożegnam...

Gwoli uzupełnienia wcześniejszych informacji dodam jeszcze, że proces próbkowania stosowany jest dziś w szerokim zakresie, w wielu różnych dziedzinach życia. Co ważne, niejednokrotnie wykorzystuje się go do celów o nieporównywalnie większym znaczeniu niż interesujące nas procesy przetwarzania dźwięku, bo w systemach, których działanie ma istotny wpływ na zdrowie i życie ludzi.  

Kwestią zasadniczą jest to, że próbkowanie jest procesem, który działa i jest to proces (teoretycznie) idealny, umożliwiający odebranie w całości wszystkiego, co wcześniej zostało włożone. Zapewnia on poprawne działanie danego systemu, przy realnym zminimalizowaniu błędów, mogących stworzyć zagrożenie dla poprawności tego działania. Jednak oceniając rzecz obiektywnie, należy powiedzieć także o tym, że w przeszłości, wspomniane błędy występowały i że, jak w przypadku wielu nowych technologii, we wczesnym okresie bywało ich niekiedy sporo. Zdarzenia te, jak wyraźnie zaznaczyłem, dotyczą początków cyfrowego przetwarzania dźwięku – czyli okresu sprzed ponad trzydziestu lat. Dzięki nowym rozwiązaniom, dawno temu udało się wyeliminować niemal wszystkie niedomagania oraz słabe strony urządzeń działających w oparciu o technologię cyfrowego przetwarzania dźwięku. Mimo to, „niespodzianki” nękające użytkowników w początkowym okresie, pozostały w pamięci wielu z nas, utrwalając sceptyczne nastawienie do cyfrowego dźwięku. Czy słusznie? Niestety, na to pytanie nie da się udzielić jednoznacznej odpowiedzi, ponieważ każda z indywidualnych opinii ma zawsze subiektywne zabarwienie – adekwatnie do skali problemów doświadczonych w przeszłości przez poszczególnych użytkowników.

Próbkowanie jest procesem (teoretycznie) idealnym, umożliwiającym odebranie w całości wszystkiego, co wcześniej zostało włożone.

Do powstania swego rodzaju informacyjnego chaosu wokół cyfrowego przetwarzania dźwięku, moim zdaniem przyczynili się także sami producenci oraz reprezentujący ich, niekiedy nadgorliwi handlowcy. Nie wiem czy istnieje zaawansowane urządzenie (lub technologia), które byłoby w pełni wolne od tak zwanych „przypadłości wieku dziecięcego”. Wiem natomiast, że wielu handlowców uporczywie wyolbrzymiało wagę mankamentów pojawiających się w urządzeniach konkurencji, starając się jednocześnie marginalizować znaczenie tych samych we własnych produktach. Dla odmiany producenci, którym z różnych powodów nie udawało się szybko zaadoptować technologii cyfrowej w oferowanych produktach, starali się zyskać na czasie i utrzymać poziom sprzedaży, dowodząc przewagi urządzeń analogowych nad cyfrowymi. Oceniając te działania z perspektywy czasu, a do tego przez pryzmat wspomnianych mankamentów w początkowym okresie technologii cyfrowej, raczej trudno odmówić im racji.

Wątpliwości, które kiedyś zostały zaszczepione w świadomości użytkowników, pokutują jednak do dziś, a jak wiemy, zmiana świadomości jest najdłuższym i najwolniej przebiegającym procesem.

Wracając do próbkowania... Próbkowanie jest prostym procesem modulacji, a ściśle mówiąc, modulacji amplitudowej (AM). Tak jak w przypadku transmisji radiowej, może ono wiernie przekazywać dźwięk z jednego miejsca w drugie, wykorzystując do tego celu określone medium. No i tu powinno nasunąć się pytanie. Słuchamy radia, więc wiemy, że ten sposób przekazywania dźwięku działa. Dlaczego w takim razie niektórzy z nas wątpią w jakość działania tego samego procesu, wykorzystywanego w cyfrowych urządzeniach przetwarzających dźwięk?

Być może wynika to z błędnych skojarzeń odnoszonych do potrzeby ograniczenia szerokości pasma, by proces modulacji przebiegał właściwie, gdyż jest to coś, o czym nie musieliśmy kiedykolwiek myśleć w kontekście systemów analogowych. Jednak o ile w przypadku radiowego AM, granicą szerokości pasma są z reguły 4 kHz, to dla podstawowej częstotliwość próbkowania cyfrowego przy 44.1 kHz lub 48 kHz, wynosi ona nieco powyżej 20 kHz.

Transmisja radiowa wykorzystuje kodowanie przekazywanego sygnału szerokopasmowego o małej częstotliwości, w chwilowych zmianach amplitudy ciągłego sygnału sinusoidalnego, nazywanego sygnałem nośnym lub falą nośną. Uzyskany w ten sposób sygnał jest sygnałem wąskopasmowym, nadającym się do transmisji drogą radiową. W przypadku cyfrowego dźwięku, zamiast sygnału nośnego, wykorzystywana jest seria krótkotrwałych impulsów biegnących z częstotliwością próbkowania, co nie zmienia faktu, że tak jak w poprzednim przypadku, modulowana jest amplituda strumienia impulsów. Niezależnie od tego, czy jest to czasowo stały sygnał, czy strumień gęsto następujących impulsów, obydwa procesy są identyczne pod względem matematycznym, a tworzone w wyniku procesu wstęgi boczne, są w zasadzie takie same.

Bez względu na to czy mówimy o radiowej modulacji AM, czy o próbkowaniu dźwięku, potrzeba ograniczenia szerokości pasma wynika z powstawania wstęg bocznych, które towarzyszą każdemu procesowi modulacji. Wstęgi boczne (górna i dolna) są skutkiem sumowania i odejmowania częstotliwości sygnału użytecznego i sygnału nośnego. Proces modulacji tworzy widmo sygnału zasadniczo składające się z nośnej oraz leżących po obu jej stronach, symetrycznie odbitych dwóch wstęg bocznych, które są powtórzeniem kształtu sygnału modulującego. Odbiornik radiowy odbiera tak transmitowane wstęgi boczne, po czym je demoduluje, by ponownie odzyskać przekazywany sygnał audio.

Próbkowanie jest prostym procesem modulacji, a ściśle mówiąc, modulacji amplitudowej (AM).

Opisany sposób transmisji radiowej stosowany jest z powodzeniem od ponad stu lat i co ciekawe, przyjmujemy go jako rzecz oczywistą. Kiedy włączamy radio, nikt z nas nie zastanawia się w jaki ono działa i czy działa aby poprawnie. Dopóki wyraźnie słychać w głośnikach wybraną stację – po prostu uznajemy, że działa. Dlaczego zatem nie potraktować w identyczny sposób cyfrowego przetwarzania dźwięku, skoro opiera się on na identycznym pod względem matematycznym procesie? Dlaczego nie uznać go za rzecz oczywistą i tak jak w przypadku radia, przestać zagłębiać się w detale, które nie zawsze lub nie do końca rozumiemy.

Być może wiele mylących skojarzeń odnośnie cyfrowego dźwięku oraz korzystania z cyfrowych systemów wiąże się ze starymi, używanymi w przeszłości systemami 16-bitowymi, które wyposażone były w cyfrowe wskaźniki poziomu wyskalowane do 0 dBFS. Obecnie większość profesjonalnych konsolet cyfrowych wyposażona jest w tradycyjne wskaźniki, w stylu analogowym, pozwalające na bezproblemowe monitorowanie poziomów. Ich główną zaletą użytkową jest to, że są bardziej przyjazne dla oka, dzięki czemu nie absorbują nadmiernie uwagi. Osoba pracująca za konsoletą może skupić się na działaniach twórczych, w mgnieniu oka kontrolując interesujące ją w danym momencie poziomy.

Być może zaprezentowane tu rozważania pozwolą spojrzeć na cyfrowe systemy w nieco innym świetle. Właściwie skonfigurowane i poprawnie zarządzane systemy cyfrowe działają znakomicie. Dorównują starym, dobrym analogom, a pod względem wielu technicznych możliwości znacznie je przewyższają. Oba systemy z pewnością brzmią różnie, ale kwestia, który z nich jest lepszy, bywa coraz rzadziej podejmowana, drzemiąc cicho w sferze indywidualnych preferencji oraz poczucia estetyki. Cyfra ma bez wątpienia kolosalną przewagę w wielu obszarach wykorzystania, natomiast analog ma ją w wielu innych. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by umiejętnie łączyć obydwa systemy, wykorzystując to, co w nich najlepsze.