El audio digital estándar se basa en una premisa simple: capturar la forma de onda, almacenar la información matemática y recrear la forma de onda. En teoría, está limpio. En realidad, se trata de una serie de transformaciones que provocan ruido, distorsión y errores de fase.
Para comprender por qué existe el convertidor digital a analógico (DAC) de 1 bit, es necesario comprender la mecánica básica de la grabación digital. El objetivo es alta fidelidad. Queremos que la reproducción sea lo más cercana posible a la señal original. También se requiere una reproducción perfecta. No importa cuántas veces lo hayas escuchado, debería sonar igual cada vez que le des al play.
El audio digital logra esto eliminando por completo las ondas analógicas. En cambio, convierte el voltaje de audio continuo en un flujo digital. Un convertidor analógico a digital (ADC) maneja esta captura. Un Convertidor de digital a analógico (DAC) convierte estos números en voltajes de altavoz.
Este proceso está determinado por dos variables que se controlan durante el muestreo.
- Frecuencia de muestreo: El número de instantáneas de formas de onda tomadas por segundo.
- Precisión de muestreo: Cuántos niveles diferentes (pasos de cuantización) hay entre el volumen mínimo y máximo.
Considere una configuración hipotética con una frecuencia de muestreo de 1000 Hz y una resolución de 10 pasos.
Cada milisegundo, el ADC toma el voltaje actual de la forma de onda y lo redondea al número entero más cercano entre 0 y 9. Estos números enteros son representaciones digitales. El DAC intenta reconstruir las curvas al reproducirlas. El resultado es una aproximación paso a paso de la onda original.
Este paso puede introducir artefactos. Hay ruido. Ocurre la distorsión.
Un DAC de 1 bit elimina esta complejidad. No pretende ser una representación exacta. No intento hacer demasiadas cosas a la vez. Utilice sólo dos modos: encendido o apagado. ¿Es alto o bajo? 1 o cero.
Los convertidores de 1 bit utilizan técnicas llamadas sobremuestreo y modelado de ruido al aumentar la frecuencia de muestreo a millones de veces la frecuencia de audio. Mueve el ruido de cuantificación desde el rango audible al espectro ultrasónico, donde puede filtrarse fácilmente.
El resultado es una forma de onda completamente diferente de la línea azul escalonada que se ve en los DAC tradicionales. Se trata de un flujo sin procesar de pulsos de alta frecuencia que, cuando el altavoz los suaviza, produce un sonido analógico fluido.
Este enfoque a menudo se denomina Direct Stream Digital (DSD). Fue desarrollado por Sony y Philips para el formato Super Audio CD. No es sólo una forma diferente de almacenar datos. Se trata de una filosofía diferente sobre cómo lidiar con el ruido.
Los DAC multibit tradicionales (como el PCM de 16 o 24 bits) luchan con la linealidad. Pequeños errores en el código digital provocaron una distorsión armónica. Un DAC de 1 bit no tiene tales problemas de linealidad. Está completamente encendido o completamente apagado. “Casi” no es una opción.
Sin embargo, esta simplicidad conlleva compensaciones. La velocidad de los datos es enorme. Un archivo de audio en CD estándar ocupa unos 10 MB por minuto. Los archivos DSD de la misma calidad pesan más de 400 MB. Es por eso que no está en la configuración predeterminada de Spotify o Apple Music. Es muy pesado. Es complejo de procesar.
Sin embargo, los audiófilos consideran las características del sonido de la siguiente manera.
Echemos un vistazo a la comparación de formas de onda. La línea azul parece desordenada en comparación con la línea roja original. Los detalles desaparecen. Las reproducciones son desiguales, inexactas y con defectos evidentes. Este es un verdadero error de muestreo. Ésta es la diferencia entre cómo suena realmente el mundo analógico y cómo graban los sistemas digitales. No puedes ignorarlo. Este problema debe resolverse aumentando dos factores: la frecuencia de muestreo y la precisión.
Corregir la brecha de precisión
Los intentos anteriores fueron demasiado duros. Para obtener mejores resultados, se debe duplicar la velocidad y la precisión. Esto significa que se duplica el número de mediciones por segundo y se duplica el número de pasos disponibles para la medición.
En este escenario actualizado, el sistema captura la amplitud en 20 gradaciones. Esto se hace a una velocidad de 2000 muestras por segundo. Este es un paso significativo con respecto al intento de baja fidelidad. La línea azul ahora está más integrada con la línea roja. Los bordes dentados se vuelven más suaves. La expresión se acerca más a la realidad.
Una mayor frecuencia de muestreo y una mayor profundidad de bits reducen los errores entre la fuente analógica y la copia digital.
Por qué esto es importante para el audio cotidiano
Se podría pensar que esto es sólo una teoría. Esto no es cierto. Cada vez que reproduces una canción o grabas una nota de voz, tu dispositivo libra la misma batalla. Si la frecuencia de muestreo es demasiado baja, el sonido se distorsionará. Se pierden las altas frecuencias. La música suena turbia o metálica. La precisión también es importante. Sin suficientes gradientes (bits), los detalles silenciosos se desvanecen en silencio o ruido.
Al duplicar la velocidad a 2000 muestras por segundo, puede capturar más formas de onda. Aumentar el nivel a 20 permite una separación de volumen más fina. El resultado es una señal que se parece más a una actuación en vivo. Aún no es perfecto. Pero está más cerca.
La línea roja sigue siendo ideal. La línea azul es la mejor aproximación. El uso de más puntos de datos y pasos más precisos mejora el ajuste. La diferencia es cada vez menor. Pero a menos que tengas recursos infinitos, nunca desaparece del todo. Ese es el compromiso. Más datos requieren más capacidad de almacenamiento y procesamiento. Menos datos ahorran espacio, pero reducen la precisión. Tienes que elegir dónde trazar la línea.
Suceden cosas interesantes cuando aumentas la frecuencia de muestreo y la resolución. Al observar el gráfico, la velocidad y la precisión se han duplicado a 40 niveles a 4000 muestras por segundo. Mejor fidelidad. La forma de onda de salida comienza a parecerse a la señal original. Para CD, el estándar es 44.100 muestras por segundo (44,1 KHz) con 65.536 gradaciones (16 bits). En este nivel, la salida del DAC coincide tan estrechamente con la forma de onda que suena “perfecto” para el oído humano.
Pero el hardware puede volverse caro rápidamente.
Los DAC tradicionales utilizan diferentes resistencias para cada bit. Un DAC de 4 bits requiere cuatro resistencias en paralelo. Pasar a 16 o 32 bits requiere suficiente resistencia para manejar 65.536 gradaciones. Hacer coincidir exactamente estos valores es una pesadilla para los fabricantes.
Los convertidores D/A duales de un bit resuelven este problema evitando por completo el banco de resistencias. No se utilizan resistencias en paralelo. En cambio, crea una señal modulada basada en los datos digitales. Este proceso se basa en formación de ruido.
Por qué funciona la modelación de ruido
Los oídos humanos tienen sus límites. Somos más sensibles al ruido alrededor de los 5 kHz. Apenas perceptible hasta 20 KHz. La modelación del ruido empuja los errores de cuantificación (ruido) a frecuencias más altas, haciéndolos inaudibles. Los DAC producen señales analógicas estables sin la necesidad de cientos de componentes de precisión.
Papel del modulador delta-sigma
El modulador delta-sigma es el corazón de este convertidor. Toma una señal binaria (1 y 0) de un CD y la convierte en un tren de pulsos. Esto es más que una simple transmisión. El tren de pulsos contiene el cambio de energía promedio de cada muestra.
Las formas de onda en ráfaga se sincronizan a una frecuencia muy alta. Frecuencia de muestreo superior a 44,1 kHz. Este sobremuestreo es importante. A continuación, un filtro de paso bajo elimina la información del dominio temporal. Simplemente devuelve la energía promedio del tren de pulsos. El resultado se envía al DAC y se envía una señal analógica.
Cómo se estropea el circuito
El circuito delta-sigma tiene dos partes diferenciadas.
- Delta monitorea la señal digital entrante y el tren de pulsos saliente. Según la diferencia entre los dos, calcule la señal de error.
- Sigma resume el resultado de esta señal de error. Esta suma se enviará al filtro de paso bajo.
El filtro de paso bajo utiliza la señal de error para promediar la salida analógica. Los ajustes mínimos compensan los espacios entre la entrada binaria y la salida del tren de impulsos. El resultado es suave.
Resultados
Obtenga sonido de alta calidad con hardware simple. No es necesario hacer coincidir las 65.536 resistencias. El ruido sale del rango audible. El oyente escucha música, no matemáticas.
Este enfoque cambia la forma en que se construyen los equipos de audio. Mueva la complejidad de la precisión analógica al procesamiento digital. La contrapartida es la potencia informática. Pero para la mayoría de los oyentes, la compensación vale la pena.
La tecnología detrás de estos convertidores es muy intensiva. Los diagramas e instrucciones detallados están disponibles en línea. Si desea obtener más información, consulte Modulación Delta Sigma y Modulación Delta adaptativa. Las matemáticas son complicadas. El resultado es sencillo. El sonido es claro.
¿Aún te preguntas cómo afecta esto a tu audición diaria? La diferencia entre los DAC baratos y los DAC de alta gama suele ser su capacidad para manejar la formación de ruido. No se trata sólo de fragmentos y muestras. Se trata de cómo las máquinas ocultan sus defectos.
