Вы — руководитель команды инженеров в крупной компании. Уже три года разрабатываете с нуля устройство нового типа: персональный аудиоплеер с возможностью записи. Задача непростая: технология новая, еще буквально год назад отлаживали чтение и запись звука на модели размером с письменный стол. С тех пор произошел большой прогресс, актуальный прототип размером с книгу, весит около килограмма, его можно взять с собой и смоделировать прослушивание на ходу. Это приносит массу новых проблем: вы с коллегами пытаетесь обеспечить стабильность чтения при помощи довольно сложной системы из пружин и стальной рамы. Правда потом кто-то пробует записать звук, тоже на ходу, и все начинается заново.

Но вот все более-менее устаканилось, можно показывать руководству. Вы идете туда с чувством выполненного долга: прототип работает. А что размер великоват — так это нормально, времени до запуска достаточно. Начальство слушает отчет, включает устройство, нажимает на кнопки, с одобрением говорит: хорошо! Вы уже размышляете, куда потратить премию, и не взять ли наконец три дня отпуска, как вдруг звучит страшное: через полгода запускаем в производство! Но подождите, как так? Мы еще не готовы! Это нельзя запускать в продажу в таком виде! А они тебе: ничего, вы справитесь, мы в вас верим, решение принято на самом верху.

Я не могу сказать, что в компании Sony в процессе разработки минидиска — перезаписываемого магнитооптического цифрового аудионосителя — все так и было. Но у меня есть косвенные доказательства, позволяющие предположить, что подобный разговор все же мог произойти на самом деле. Я решил изучить самый первый, во многом уникальный аппарат, выпущенный в конце 1992 года, почти 28 лет назад. И заодно сравнил формат сжатия с потерями от Sony с ранними версиями MP3.

В этой статье я не буду повторяться, описывая историю формата. Про это можно почитать в моих двух прошлогодних постах:

Минидиск в естественной среде обитания ^[1]
Минидиск в эпоху Айпода ^[2]

Дневник коллекционера старых железок я веду в Телеграмме ^[3].

Теория

Основные принципы минидиска как формата неплохо описывает эта ^[4] ранняя статья в журнале Popular Science за август 1991 года (страница 65). Между рекламой квадратных автомобилей и толстых сотовых телефонов рассказывается о новом носителе звука: 2,5 дюймовые диски в защитном корпусе с окном а-ля дискета, чтение с помощью лазера так же, как у компакт-диска. Запись с помощью магнитной головки, при этом лазер нагревает поверхность диска примерно до двухсот градусов, и только при этой температуре можно перезаписать данные. На диск помещается 74 минуты музыки, как на CD, но емкость меньше, поэтому применяется сжатие с потерями. По свидетельству неназванного специалиста из Sony, сжатый звук прозрачен для абсолютного большинства людей, и только «два процента музыкантов и аудиофилов» смогут услышать разницу. Самое главное: японские маркетологи предоставляют для этой статьи фото прототипа.

В 1991 году Sony демонстрирует журналистам нерабочий макет. Его размеры относительно минидиска обещают действительно что-то компактное. На фото выше — макет плеера. Справа показан портативный рекордер, его обещали сделать чуть потолще, размером с обычный кассетный проигрыватель. Выпуск формата в продажу планировался год спустя, в конце 1992 года. И обещание было сдержано, только макеты остались макетами, а в магазины поступило устройство с совсем иными габаритами. Вот такое:

Обратите внимание на размеры устройства по сравнению с носителем. В рекламе реального Sony MZ-1 уже никто не держит устройство в руках: слишком большое. К устройству прилагается сумка для ношения аппарата на плече, и это единственный способ слушать минидиски на ходу в конце 1992 года. В карман 700-граммовый рекордер толщиной в четыре с лишним сантиметра вообще не помещается. Но хоть плеер-то можно было сделать компактнее? Там можно выкинуть всю сложную схему для записи дисков. Нет!

Sony MZ-2P — первый плеер — был выполнен в корпусе MZ-1: убрали половину кнопок, ненужных при воспроизведении, и немного снизили цену. Фото выше — из японского каталога Sony. 79800 и 59800 йен по обменному курсу на конец 1992 года — это ~640 и 480 долларов, а с поправкой на инфляцию — $1170 и $880. В моей семье в те времена даже близко таких денег не было, но если представить себя достаточно обеспеченным человеком, то даже в этом случае существовала масса альтернатив минидиску в его первоначальном виде.

Например, невероятно крутой портативный кассетный плеер Sony WM-DD9 за 49000 йен. За 59000 можно было приобрести профессиональный портативный рекордер Sony WM-D6C.

C 1990 года выпускалась легендарная ныне модель портативного CD-плеера Sony D-Z555. Еще без антишока, но с массой фич, прекрасным звуком, длительной автономной работой. По современным меркам тот еще сундук, но все равно на 100 грамм легче MZ-1 и почти в три раза тоньше! Да, он не пишущий, зато CD с музыкой можно купить в любом магазине.

Если вам обязательно требовалась цифровая запись в портативном устройстве, можно было приобрести портативный DAT-рекордер Sony TCD-D3. В нем не было свойственного оптическим носителям произвольного доступа к записанным трекам, зато — до двух часов записи на кассету в полноценном CD-качестве, без потерь. Да, это стоило чуть дороже — 98000 йен, но даже такой монстр с вращающейся головкой и сложным механизмом для работы с магнитной лентой весил на 200 грамм меньше «потребительского» MZ-1. Иными словами, первый минидисковый рекордер Sony оказался любительским устройством с ценой и особенностями (вес, размеры, время автономной работы) профессиональной техники. Когда вы выводите на рынок новую технологию — это нормально, но в случае MZ-1 обещали создать простой в использовании, удобный и главное компактный носитель музыки, с возможностью записи, заменяющий «устаревшую» аудиокассету. В 1992 году выполнить обещанное не получилось.

Можно ли было подождать? Вряд ли. Компания Philips, вместе с которой Sony до этого разработала сверхуспешный компакт-диск, готовила конкурирующий цифровой формат для записи музыки в домашних условиях. Philips DCC (подробнее об этой цифровой кассете я писал тут ^[5]) также представили в конце 1992 года, и к запуску голландскому производителю даже не удалось доделать портатив (пищущий Philips DCC170 выпустили только в 1994 году). Угрозы как таковой не было, но поставьте себя на место управленца в Sony: конкуренты готовятся захватить новую перспективную нишу, которая должна приносить доходы десятки лет (про то, что уже в конце девяностых появятся интернет, Напстер, MP3 и портатив на флеш-памяти, а стоимость болванок CD-R упадет ниже доллара, никто и подумать не мог). Срочно в продакшн! Инженеров не слушать. Что значит не готовы? Работает? Работает! Запускайте!

Трудно сказать, кто прав в этом характерном конфликте реальности (технари) и фантазий (бизнес). С одной стороны, выпускать полуготовый продукт на рынок не ок, можно разозлить даже самых преданных фанатов. С другой — допиливать продукт до идеала можно годами и десятилетиями. Технически подкованный инсайдер всегда будет знать, какие недостатки (возможно фатальные) ушли в продакшн. Соблюсти баланс между готовностью разработчиков и необходимостью зарабатывать деньги удается далеко не всегда. В 1992 году не удалось, но именно такие сложные моменты спустя много лет приводят к появлению в моей коллекции новых артефактов. Давайте же посмотрим на Sony MZ-1 из 2020 года.

Практика

Sony MZ-1 — это уникальное устройство. Единственный переносной минидисковый рекордер с оптическим цифровым выходом (все остальные имели только вход). Одна из немногих моделей с подсветкой экрана на устройстве (неотключаемой). Единственный портатив с моторизованным механизмом загрузки и выгрузки диска, как в стационарных аппаратах. На фотографиях он кажется неуклюжим, но в реальности вызывает уважение своей массой, цельнометаллическим корпусом. Он удобный: из-за больших размеров почти каждой функции отведена своя кнопка или переключатель. Регулировка громкости и уровня записи — с помощью аналоговых крутилок. Потом поменяют на цифровые, заодно на некоторое время потеряв возможность регулировки уровня записываемого сигнала на лету.

Устройств в итоге у меня оказалось два: оба приобретены без гарантии работоспособности, первое оказалось нерабочим, второе — вполне живым. Они достаточно часто появляются в продаже, из чего можно сделать вывод, что (а) не так уж мало их было продано за пару лет жизни на полках магазинов и (б) это надежные устройства. У меня сложилось впечатление, что если плеер не кидали об стену и не издевались совсем уж жестоко, он будет работать: запас прочности невероятный. Это видно на фото нерабочего устройства. Обратите внимание на массивную плиту, закрывающую всю механику. Внутри она к тому же подвешена на четырех демпферах, для бОльшей стабильности при чтении и записи.

Предположу, что механическую часть таких размеров и сложности пришлось сделать не из-за чтения, а из-за записи. При чтении помогает штатный анти-шок: микросхема памяти, вмещающая 10 секунд аудиоданных. А вот при записи даже небольшой сдвиг магнитной головки приведет к сбою, и узнаете вы об этом только потом, при прослушивании. Никакого контроля правильности записанных данных в минидиске нет. Мониторить запись прямо в процессе можно было на кассетных устройствах с отдельными головками записи и чтения, а позже — на технике DAT, но на минидиске такой возможности нет, так как лазер в записи также участвует, нагревая диск.

В процессе исследования устройства я прослушал на нем несколько альбомов, и записал пару дисков. Происходило это в домашних условиях, и в режиме «девайс на прикроватном столике для вечернего прослушивания» этот плеер вполне удобен. Но минидиск должен был заменить кассетный портатив: обеспечить лучшее качество звука для молодежи, которая слушает музыку на ходу. Вот с портативным использованием у MZ-1 все плохо. Батарейки (размером с iPod) хватает на час записи или 75 минут воспроизведения. Потом ее надо заряжать. Представьте, что берете с собой плеер на дачу или в деловую поездку. Придется брать с собой блок питания, который сам немаленький. Реальные пользователи решали вопрос покупкой дюжины аккумуляторов, на что можно было потратить еще одну цену плеера.

Ладно, представим, что сейчас второе января 1993 года, новейший минидисковый рекордер нам подарили на новый год, и надо с ним что-то делать. Что? Можно попробовать приобрести минидиск с музыкой в магазине и послушать. Но за всю историю существования формата, релизов на минидиске было немного: сайт Discogs.com знает ^[6] про две с лишним тысячи наименований. По сравнению, релизов на CD там же насчитывается почти четыре миллиона, на виниле — 6,5 миллионов. В начале жизни формата выбор и вовсе был небольшой. Можно записать свой собственный минидиск. Для этого надо взять проигрыватель винила или кассетный плеер, и подключить их к линейному входу. После, если не лень, можно поделить запись на треки, и дать каждому треку название, которое будет отображаться на экране при воспроизведении.

Самый качественный способ записи на минидиск — цифровой, с использованием оптического входа. Таким образом к Sony MZ-1 можно подключить стационарную деку, или портативный плеер с оптическим выходом, например тот же Sony D-Z555. При воспроизведении CD-плеер будет передавать маркеры начала трека, запись будет поделена на композиции автоматически: удобно. Что не удобно, так это максимальная емкость минидисков на старте продаж: хотя обещано было 74 минуты, изначально получилось только 60.

Кстати, обратите внимание на направление текста на одном старом минидиске, по сравнению с более поздними. На 60-минутном раннем носителе буквы перевернуты. На фотографиях прототипов заметно, что диски вставлялись другой стороной — так, что защитная шторка смотрела влево. По неизвестным причинам механизм переделали, причем в последний момент, и на ранних носителях надписи читаются вверх ногами. Еще один намек на то, что аппарат серьезно переделывали практически перед самым началом производства.

Ах да, стоит один минидиск примерно 15 долларов. За такие же деньги можно купить CD с музыкой, слушать его на вполне тонком и легком портативном плеере, который работает от батарейки 8 часов, а не час с лишним. Выходит, что в реальности MZ-1 был реально полезен только тем, кто как-то связан со звукозаписью. На сайте Minidisc.org есть свидетельство ^[7] владельца, который применял MZ-1 для записи музыки на концертах. К рекордеру можно подключить микрофон, записывать на него речь или играть на гитаре в домашних условиях. В таком случае вы получаете качество записи лучше, чем на кассете, но дело даже не только в этом. Возможности редактирования записи феноменальные: можно удалить часть фонограммы, менять треки местами, склеивать идущие подряд треки. В процессе записи одним нажатием можно поставить маркер нового трека. В общем, уже первое минидисковое устройство реализовало многие возможности профессиональной техники (DAT или профессиональных аналоговых магнитофонов), в достаточно небольшом, и относительно недорогом устройстве.

Те, кого Sony MZ-1 реально мог заинтересовать — это обеспеченные люди, которые могут легко потратить несколько сотен долларов на портативное устройство, набор батареек и пару десятков дисков, чтобы получить качество звука «почти как на CD», но с возможностью самостоятельной записи и последующего редактирования. В 1992 году я все это делаю на кассетах: пишу треки с радио, переписываю с пластинок и бобин, иногда с компакт-дисков у знакомых, делаю сборники для себя и для друзей. Для начала девяностых, когда компьютеры не позволяли полноценно работать со звуком, это было вполне распространенное занятие. Если у вас есть деньги, и вы заботитесь о качестве настолько, что готовы пожертвовать габаритами устройства — берите MZ-1! Так? Не совсем. Помимо всех прочих недостатков, у первого минидискового устройства были проблемы артефактами после сжатия с потерями.

ATRAC vs. MP3

Sony для минидиска разработала собственный алгоритм сжатия: Adaptive Transform Acoustic Coding или ATRAC. Если не вдаваться в технические детали (они есть тут ^[8]), он работает так же, как и формат MP3, используя особенности нашего слуха. Входящий несжатый цифровой звук CD-качества делится на три полосы частот: от 0 до 5,5 килогерц, от 5,5 до 11 кгц и от 11 до 22 кгц. Каждая полоса частот анализируется, и в зависимости от содержимого, звук в определенном диапазоне частот либо отбрасывается вовсе, либо кодируется. В итоге получается поток сжатых данных с битрейтом 292 килобита в секунду.

По сути, сжатие звука сводится к набору последовательных преобразований входящих данных, и требует немалой по меркам начала девяностых вычислительной мощности. С этим в начале производства были проблемы: начать нужно с того, что в MZ-1 используется две микросхемы, отвечающих за обработку цифрового потока данных, по одной на каждый канал, одну на оба сделать не вышло. Если в кассетном рекордере нужно обеспечить лишь усиление аналогового сигнала и работу лентопротяжного механизма, то минидисковое устройство одновременно вращает диск, оцифровывает звук, обрабатывает данные, преобразует цифру обратно в аналог и усиливает получившийся сигнал. Отсюда малое время автономной работы и размеры устройства: индустрия еще не могла обеспечить достаточную компактность и низкое потребление такой сложной схемы.

Главное, что MZ-1 при сжатии звука вносит собственные артефакты. Немецкий журнал Stereo назвал их «Spratzeln» — такие звуки издают пузырьки газа в банке пива или в бокале с шампанским. Впрочем, давайте сравним возможности «первого» ATRAC в объективных замерах.

Я сравнил Sony MZ-1 с минидисковой декой Sony MDS-JB980 ^[9], использующей самую совершенную версию алгоритма ATRAC, известную как Type-S. Тестовый сигнал в обоих случаях был записан на устройство, и воспроизведен с последующим захватом в цифровом виде, то есть все искажения, которые мы здесь видим, вызваны только сжатием звука с потерями, и ничем еще. Третья колонка — тест сигнала, записанного через аналоговый вход Sony MZ-1. Справа, для ориентировки, замеры исходного сигнала в CD-качестве.

Прежде всего мы здесь видим, что первый минидисковый рекордер умеет работать только с аудиоданными в формате 16 бит 44 килогерца. Более современный аппарат понимает 24-битный сигнал, за счет чего обеспечивается некоторый прирост по части уровня шума и динамического диапазона. Посмотрим на амплитудно-частотную характеристику устройств:

Аналоговый вход у MZ-1 не самый лучший, но с цифровым сигналом никаких проблем нет. Так как в каждый момент времени в этом тесте воспроизводится простой синусоидальный сигнал определенной частоты, кодировщик ATRAC направляет все силы именно туда, и почти ничего не теряет. Более сложный тест в программе RMAA ^[10] — это когда несколько сигналов воспроизводятся одновременно. Здесь и старому устройству, и более современному нужно расставить приоритеты, что приводит к характерной ломаной линии на графике:

Заодно видно частоту среза высоких частот: алгоритм первого поколения в Sony MZ-1 срезает всё выше 15 килогерц, более поздний MDS-JB980 сохраняет сигнал вплоть до 18 килогерц. Но это в условиях, заданных тестом: на реальной музыке ATRAC последней версии умеет сохранять сигнал вплоть до 20Кгц, когда посчитает это необходимым. Что мы не видим в результатах теста — это каких-то серьезных искажений. При реальном прослушивании эти характерные «потрескивания» присутствуют, просто относительно простые тестовые сигналы не позволяют их зафиксировать.

И вот тут мне стало интересно, а у ранних кодировщиков MP3 как обстояли дела с артефактами? Спецификации этого формата сжатия звука с потерями были финализированы в том же 1992 году, опубликованы в составе стандарта ISO/IEC 11172-3 в 1993-м. Я узнал о возможности хранения сжатого звука на компьютере в 1996 году — экспериментировал с ранним форматом VQF. В 1997 году была выпущена первая версия компьютерного MP3-плеера WinAMP, а в 98-м я уже качал из интернета музыку, по модему, медленно и печально (и записывал ее, что характерно, на кассету). Для более-менее нормального _воспроизведения_ MP3 требовался как минимум 486-й компьютер с частотой процессора в 100 мегагерц. На Pentium 166 MMX параллельно с WinAMP даже можно было открыть пасьянс, и они работали одновременно — многозадачность! Кодирование MP3 занимало приличное время даже на такой умеренно мощной машине.

А раньше что было? Поискав в сети, я нашел два древних кодировщика MP3: оригинальный l3enc ^[11] Фраунгоферовского института 1994 года и известный мне в те времена энкодер Xing ^[12] 1997 года. Обе утилиты — консольные. Xing без проблем запускается «нативно» прямо под Windows 10, для l3enc потребовался DosBox, в котором он работал очень медленно. Xing «съедает» WAV-файлы в CD-качестве, а для l3enc нужно заранее преобразовывать звук в формат RAW PCM. Идея эксперимента у меня была такая: давайте возьмем один трек, запишем его на минидиск, отдельно сожмем с помощью двух софтовых кодировщиков MP3, и посмотрим, что получилось.

Да, только какой выбрать битрейт? Если сравнивать честно, нужно сжимать MP3 с битрейтом, похожим на ATRAC. Там 292 килобита в секунду, значит для MP3 надо брать 320 килобит или хотя бы 256. Но в реальности до начала двухтысячных никто таким битрейтом не пользовался: самый ходовой был 128 килобит в секунду. Минута сжатого аудио в таком случае занимала примерно мегабайт, и стандартный трехминутный трек можно было скачать даже по медленному модемному соединению относительно быстро — минут за 10-20.

Получилось вот что. При сравнении с 320-килобитными MP3 видно, что ATRAC первого поколения «выбрасывает» больше аудиоинформации, особенно в высокочастотном диапазоне.

Только при сравнении со 128-килобитным MP3, закодированным с помощью Xing, картина похожая. Не считая каких-то непонятных «палок» в сигнале ATRAC: а это как раз и есть артефакты, по сути эффект от перегрузки кодировщика, генерирующего щелчки и треск.

Как это звучит? Я собрал один трек из пяти источников: исходный файл в CD-качестве, ATRAC из MZ-1, MP3 320 килобит по версии Xing и l3enc, и более реалистичный MP3 с битрейтом 128 килобит, закодированный с помощью Xing. На слух мне сложно отличить исходник от любого из вариантов сжатия с потерями. Попробуйте и вы. А если вам покажется, что не совсем верно сравнивать артефакты сжатия на Ютюбе, где все еще раз пережимается с потерями при загрузке видео, то вот тут ^[13] есть исходный файл (lossycomparison.wav). Источник там меняется каждые 10 секунд, для референса можно использовать подсказки на видео.

Артефакты на громкой музыке слышны плохо, нужно что-то поспокойнее. На записи из видео ниже хорошо слышны артефакты сжатия ATRAC1.

Первые устройства серьезно подпортили репутацию минидиска среди меломанов, а это потенциально самая платежеспособная аудитория. В конце 1995 года японская компания выпустила деку JA3ES, ориентированную на людей с высокими требованиями к качеству звучания. В интервью ^[14] журналу Audio Technology Magazine представитель Sony тогда прокомментировал особенности первой версии ATRAC: алгоритм был нормальный, а вот реализация подкачала, особенно при записи с линейного входа. И объяснил почему: в начале девяностых сжатие с потерями представляло собой неподъемную задачу даже для самых мощных процессоров в ПК. Реализовать аппаратный энкодер в компактном устройстве было еще сложнее.

Чтобы довести и устройства, и алгоритмы до ума, Sony понадобилось еще три года. В конце 1993-го был выпущен рекордер MZ-R2. Вес удалось снизить больше, чем в два раза, до 300 грамм, но за счет ограничения возможностей: нельзя редактировать треки (только удалять и размечать при записи) и вводить названия.

Фичи вернулись только в 1995 году, с выпуском модели MZ-R3: 360 грамм, от 4 до 8 часов в режиме воспроизведения, габариты не отличаются от таковых у кассетного плеера. По-настоящему реализовать всё обещанное удалось только в 1998 году. Только тогда появился плеер с габаритами, как у прототипов 1991 года, чуть больше самого минидиска. Алгоритм ATRAC в своей четвертой или пятой ревизии (смотря как считать) обеспечил качество, с трудом отличимое от CD. Можно было бы сделать «сразу хорошо»? Сомневаюсь, но окончание доработок, к сожалению для Sony, совпало с началом эпохи компьютерного звука вообще и MP3 с файлообменными сетями в частности. По сравнению с типовым MP3 с битрейтом 128 килобит в секунду, минидиск тогда обеспечивал лучшее качество, но для обычного потребителя разница была не так уж заметна. Да что там, большинство людей до конца девяностых вполне устраивал звук аудиокассеты. Продать «записываемую цифру» в новом формате не получилось.

Все вышесказанное не помешало мне в 2019 году стать большим фанатом минидиска. Количество устройств подбирается к двум десяткам, но выбираю я в основном самые функциональные аппараты начала двухтысячных, как например вот этот Sony MZ-N10, портативный рекордер с возможностью подключения к компьютеру, юбилейная модель на десятилетие формата. Она гораздо ближе к современным плеерам по габаритам и возможностям, и по сравнению с ней MZ-1 кажется невероятно олдскульным. Но надо отдать Sony должное: несмотря на сложности, а в конце — и на явную невозможность конкурировать с MP3-плеерами, она еще долго пыталась «сделать правильно». Стоило ли стараться? Не факт, но результатом стало большое количество устройств, которые я с удовольствием коллекционирую, и планирую и дальше делиться своими впечатлениями о них.

Автор: Константин

Источник ^[15]