Первая публичная демонстрация цифровой записи звука с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) была проведена в мае 1967 г. Японской вещательной корпорацией (NHK), а носитель представлял собой 1-дюймовую (2,54 мм) магнитную ленту, которая проигрывалась на двухголовочном видеомагнитофоне с наклонно-строчной записью. Впечатление, полученное от прослушивания большинством людей, присутствовавших на этой демонстрации, было однозначным: качество звучания представленной цифровой аппаратуры несравнимо выше качества звучания любого стандартного магнитофона. Причина главным образом заключалась в снятии ограничений, накладываемых аналоговой магнитной записью.
Рис. 6. Обычная аналоговая (а) и цифровая ИКМ-запись (б).
Как показано на рис. б, а, основной причиной деградации исходного сигнала в аналоговых магнитофонах является, в первую очередь, нанесенный на ленту магнитный материал, который в действительности содержит составляющие искажений еще до того, как будет произведена какая-либо запись. Во-вторых, магнитный носитель сам по себе является нелинейным, т. е. не способным к абсолютно точной записи и воспроизведению сигнала. Искажения, таким образом, являются неотъемлемой сущностью каждого аналогового магнитофона. Напротив, при ИКМ-записи (рис. б, б) каждый бит первоначальной последовательности, соответствующей звуковому сигналу, и, следовательно, сам звуковой сигнал, могут быть полностью восстановлены, даже если записанный сигнал искажен из-за нелинейностей магнитной ленты или по другим причинам.
Во всяком случае, после упомянутой выше демонстрации не осталось оснований сомневаться в высоком качестве звучания, достижимого техническими средствами ИКМ. Инженеры и любители музыки, присутствовавшие на первой демонстрации, однако, не имели понятия, когда такая аппаратура станет доступной для потребителя, а многие из них лишь смутно представляли, какое влияние системы цифровой записи могут оказать на промышленность, работающую на рынок звуковой аппаратуры. Фактически, не было бы преувеличением сказать, что из-за трудности редактирования фонограмм, массы, размеров, стоимости аппаратуры и сложности ее эксплуатации, не говоря уже о необходимости использования вспомогательного оборудования высочайшего качества (еще один источник высоких затрат), в то время было очень трудно представить сколь-нибудь значительный прогресс в этой области.
Тем не менее самое высокое качество в производстве грампластинок в то время обеспечивалось методом прямой записи (live recording), в котором лаковый мастер-диск нарезался без использования промежуточных магнитных лент: сигнал живого источника звука после микширования подавался непосредственно на режущую головку. Благодаря этому обходились ограничения, связанные с использованием аналоговых магнитофонов. Хотя прямая запись в принципе проста, ее чрезвычайно трудно осуществить на практике. Прежде всего, всех музыкантов-исполнителей и весь технический персонал необходимо собрать в одном месте в одно и то же время. Кроме того, записываемое музыкальное произведение от начала до конца должно быть исполнено без ошибок, поскольку звуковой сигнал подается прямо на резец.
Если бы ИКМ-оборудование было совершенным, появилась бы возможность изготовления высококачественных грампластинок без решения проблем времени и стоимости, сопровождающих прямую запись. При использовании ИКМ-записи весь процесс после изготовления мастер-ленты мог быть завершен без спешки.
В 1969 г. фирма Nippon Columbia разработала прототип ИКМ-магнитофона, основанного в общих чертах на технических решениях, примененных ранее в своем цифровом ИКМ-оборудовании корпорацией NHK. Это был четырехголовочный видеомагнитофон, использующий двухдюймовую ленту, с 13-разрядным аналого-цифровым преобразователем, работающим с частотой выборки 47,25 кГц. Этот аппарат после существенных доработок был отправным пунктом для систем цифровой ИКМ-записи, продаваемых фирмой Sony в настоящее время.
Разработка промышленных ИКМ-процессоров
ИКМ-магнитофон состоит из трех основных частей: преобразователя исходного звукового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал, преобразователя ИКМ-сигнала обратно в звуковой сигнал и, конечно, блока магнитной записи (собственно магнитофона), использующего магнитную ленту для записи.и воспроизведения ИКМ-сигнала.
Промежуток времени, занимаемый одним битом (разрядом) в потоке битов, составляющих ИКМ-сигнал, определяется частотой выборки и числом разрядов, используемых при квантовании сигнала. Например, при частоте выборки 50 кГц (период выборки 20 мкс) в 16-разрядной системе период времени, занимаемый одним битом при двухканальной записи, составляет примерно 1,6 мкс. Для осуществления безошибочной записи в поток должны быть включены биты-индикаторы для системы исправления ошибок. В результате необходимо использовать систему записи/воспроизведения с шириной полосы пропускания от 1 до 2 МГц.
С учетом этого требования к полосе пропускания, наиболее подходящим устройством записи является видеомагнитофон (ВМ). ВМ разработаны специально для записи телевизионных изображений в форме видеосигналов. Чтобы успешно записать видеосигнал, необходима полоса пропускания шириной несколько мегагерц, и это счастливое совпадение делает ВМ устройством, в высшей степени пригодным для записи звукового сигнала в ИКМ-представлении.
Пригодность ВМ для этой цели как уже существующего средства записи предопределила разработку первых ИКМ-магнитофонов в виде двухблочных систем, содержащих ВМ и цифровой звуковой процессор. Последний присоединялся непосредственно к аналоговой hi-fi системе для воспроизведения. Такой процессор РСМ-1, разработанный фирмой Sony (рис. 7), впервые поступил в продажу в 1977 г.
Рис. 7. Цифровой звуковой процессор РСМ-1.
На следующий год был представлен цифровой звуковой процессор РСМ- 1600, предназначенный для профессиональных применений. В апреле 1978 г. использование частоты выборки 44,056 кГц (на которой работали оба упомянутых выше процессора) было принято Обществом звукоинженеров (AES) в качестве стандарта.
В 1978 г. на выставке потребительской электроники (CES), проводимой ежегодно в США, был смонтирован необычный дисплей. Наиболее известные американские производители акустических систем демонстрировали свою новейшую продукцию с использованием комбинации цифрового звукового процессора РСМ-1 и бытового видеомагнитофона в качестве источника звукового сигнала. По сравнению с ситуацией, имевшей место всего лишь несколько лет назад, когда качество звучания, обеспечиваемое магнитофонами, рассматривалось как относительно низкое, демонстрация акустических систем с использованием ИКМ-магнитофона означала полную смену цели. Промышленность, работающая на рынок звуковой аппаратуры, сделала основной шаг по направлению к истинной точности воспроизведения оригинального источника звука посредством полной переработки используемых технических средств записи, которые обусловливали наибольшую деградацию первоначального сигнала.
В это же время 12 ведущих японских электронных компаний учредили комитет по стандартизации ИКМ-процессоров, использующих бытовые видеомагнитофоны. В мае 1978 г. они достигли соглашения по так называемому стандарту Японской ассоциации электронной промышленности (EIAJ). Этот стандарт, по существу, установил 14-разрядный линейный формат для потребительских применений цифрового звука.
Первый промышленный процессор, соответствующий стандарту EIAJ и предназначенный для бытового использования, который завоевал огромную популярность (ныне знаменитый PCM-F1, рис. 8), был выпущен в 1982 г. Этот аппарат мог переключаться из 14-разрядного в 16-разрядный линейный формат кодирования/декодирования, и, хотя данный процессор предназначался для энтузиастов hi-fi, его характеристики были столь выдающимися, что он был немедленно использован профессионалами звукозаписи, тем самым ускорив признание цифрового звука в студиях звукозаписи.
Рис. 8. Цифровой звуковой процессор PCM-F1.
Рис. 9. Цифровой звуковой процессор РСМ-1610.
Преемник РСМ-1600 в профессиональной сфере — процессор РСМ-1610 (рис. 9) — использовал более продвинутый по сравнению с EIAJ формат записи и поэтому требовал подключения к профессиональным видеомагнитофонам, основанным на стандарте U-Matic. Этот процессор быстро стал стандартом «де факто» в производстве двухканальных цифровых фонограмм и мастеринге компакт-дисков.