Audio digital standar didasarkan pada premis sederhana: menangkap bentuk gelombang, menyimpan informasi matematika, dan membuat ulang bentuk gelombang. Secara teori, ini bersih. Pada kenyataannya, ini adalah serangkaian transformasi yang menyebabkan noise, distorsi, dan kesalahan fase.
Untuk memahami mengapa Konverter Digital-ke-Analog (DAC) 1-bit ada, Anda perlu memahami mekanisme dasar perekaman digital. Sasarannya adalah fidelitas tinggi. Kami ingin reproduksinya sedekat mungkin dengan sinyal aslinya. reproduksi sempurna juga diperlukan. Tidak peduli berapa kali Anda mendengarkannya, suaranya akan tetap sama setiap kali Anda menekan tombol play.
Audio digital mencapai hal ini dengan menghilangkan gelombang analog sepenuhnya. Sebaliknya, ia mengubah tegangan audio berkelanjutan menjadi aliran digital. Konverter analog-ke-digital (ADC) menangani pengambilan ini. Konverter Digital-ke-Analog (DAC) mengubah angka-angka ini menjadi voltase speaker.
Proses ini ditentukan oleh dua variabel yang dikontrol selama pengambilan sampel.
- Laju pengambilan sampel: Jumlah snapshot bentuk gelombang yang diambil per detik.
- Presisi pengambilan sampel: Berapa banyak level (langkah kuantisasi) yang berbeda antara volume minimum dan maksimum.
Pertimbangkan pengaturan hipotetis dengan frekuensi sampling 1000 Hz dan resolusi 10 langkah.
Setiap milidetik, ADC mengambil tegangan arus dari bentuk gelombang dan membulatkannya ke bilangan bulat terdekat antara 0 dan 9. Bilangan bulat ini adalah representasi digital. DAC mencoba merekonstruksi kurva saat memainkannya. Hasilnya adalah perkiraan langkah demi langkah dari gelombang aslinya.
Langkah ini mungkin memperkenalkan artefak. Ada kebisingan. Distorsi terjadi.
DAC 1-bit menghilangkan kerumitan ini. Hal ini tidak dimaksudkan untuk menjadi representasi yang tepat. Saya tidak mencoba melakukan terlalu banyak hal sekaligus. Gunakan hanya dua mode: hidup atau mati. Apakah tinggi atau rendah? 1 atau nol.
Konverter 1-bit menggunakan teknik yang disebut oversampling dan noise shaping dengan meningkatkan laju sampling hingga jutaan kali frekuensi audio. Ini memindahkan kebisingan kuantisasi dari rentang suara ke spektrum ultrasonik, sehingga dapat dengan mudah disaring.
Hasilnya adalah bentuk gelombang yang benar-benar berbeda dari garis biru terhuyung-huyung yang terlihat pada DAC tradisional. Ini adalah aliran mentah pulsa frekuensi tinggi yang, ketika dihaluskan oleh speaker, menghasilkan suara analog yang halus.
Pendekatan ini sering disebut sebagai Direct Stream Digital (DSD). Ini dikembangkan oleh Sony dan Philips untuk format Super Audio CD. Ini bukan hanya cara menyimpan data secara berbeda. Ini tentang filosofi berbeda tentang cara menangani kebisingan.
DAC multi-bit tradisional (seperti PCM 16-bit atau 24-bit) kesulitan menghadapi linearitas. Kesalahan kecil dalam kode digital menyebabkan distorsi harmonik. DAC 1-bit tidak memiliki masalah linearitas seperti itu. Ini sepenuhnya aktif atau nonaktif sepenuhnya. “Hampir” bukanlah suatu pilihan.
Namun, kesederhanaan ini juga disertai dengan trade-off. Kecepatan datanya sangat besar. File audio CD standar membutuhkan sekitar 10 MB per menit. File DSD dengan kualitas yang sama berukuran lebih dari 400 MB. Itu sebabnya itu tidak ada di pengaturan default Spotify atau Apple Music. Ini sangat berat. Ini rumit untuk diproses.
Namun, audiophiles mempertimbangkan karakteristik suara dengan cara berikut.
Mari kita lihat perbandingan bentuk gelombangnya. Garis biru terlihat berantakan dibandingkan garis merah aslinya. Detailnya hilang. Reproduksinya tidak merata, tidak akurat, dan jelas memiliki kekurangan. Ini adalah kesalahan pengambilan sampel yang sebenarnya. Inilah perbedaan antara suara sebenarnya di dunia analog dan apa yang direkam oleh sistem digital. Anda tidak bisa mengabaikannya. Masalah ini harus diselesaikan dengan meningkatkan dua faktor: frekuensi pengambilan sampel dan akurasi.
Perbaiki kesenjangan akurasi
Upaya sebelumnya terlalu kasar. Untuk hasil yang lebih baik, kecepatan dan akurasi harus digandakan. Ini berarti jumlah pengukuran per detik menjadi dua kali lipat dan jumlah langkah yang tersedia untuk pengukuran menjadi dua kali lipat.
Dalam skenario yang diperbarui ini, sistem menangkap amplitudo pada 20 gradasi. Hal ini dilakukan dengan kecepatan 2.000 sampel per detik. Ini merupakan langkah maju yang signifikan dari upaya fidelitas yang lebih rendah. Garis biru kini lebih menyatu dengan garis merah. Tepi yang bergerigi menjadi lebih halus. Ekspresinya semakin mendekati kenyataan.
Laju sampel yang lebih tinggi dan kedalaman bit yang lebih tinggi mengurangi kesalahan antara sumber analog dan salinan digital.
Mengapa ini penting untuk audio sehari-hari
Anda mungkin mengira ini hanya teori. Ini tidak benar. Setiap kali Anda memutar lagu atau merekam memo suara, perangkat Anda mengalami pertempuran yang sama. Jika laju pengambilan sampel terlalu rendah, suara akan terdistorsi. Frekuensi tinggi hilang. Musiknya terdengar berlumpur atau metalik. Akurasi juga penting. Tanpa gradien (bit) yang cukup, detail yang tenang memudar menjadi keheningan atau kebisingan.
Dengan menggandakan kecepatan menjadi 2.000 sampel per detik, Anda dapat menangkap lebih banyak bentuk gelombang. Meningkatkan level ke 20 memungkinkan pemisahan volume yang lebih halus. Hasilnya adalah sinyal yang lebih terasa seperti pertunjukan live. Itu belum sempurna. Tapi itu lebih dekat.
Garis merah masih ideal. Garis biru adalah perkiraan terbaik. Menggunakan lebih banyak titik data dan langkah-langkah yang lebih tepat akan meningkatkan kesesuaian. Perbedaannya semakin kecil. Namun kecuali Anda memiliki sumber daya yang tidak terbatas, sumber daya tersebut tidak akan pernah benar-benar hilang. Itulah komprominya. Lebih banyak data memerlukan lebih banyak penyimpanan dan daya pemrosesan. Lebih sedikit data menghemat ruang, namun mengurangi akurasi. Anda harus memilih di mana menarik garisnya.
Hal menarik terjadi ketika Anda meningkatkan laju pengambilan sampel dan resolusi. Melihat grafik tersebut, kecepatan dan akurasinya meningkat dua kali lipat menjadi 40 level pada 4.000 sampel per detik. Kesetiaan yang lebih baik. Bentuk gelombang keluaran mulai terlihat seperti sinyal aslinya. Untuk CD standarnya adalah 44.100 sampel per detik (44,1 KHz) dengan 65.536 gradasi (16 bit). Pada tingkat ini, keluaran DAC sangat cocok dengan bentuk gelombang sehingga terdengar “sempurna” di telinga manusia.
Namun perangkat keras bisa menjadi mahal dengan cepat.
DAC tradisional menggunakan resistor berbeda untuk setiap bit. DAC 4-bit membutuhkan empat resistor secara paralel. Pindah ke 16-bit atau 32-bit memerlukan ketahanan yang cukup untuk menangani 65.536 gradasi. Mencocokkan nilai-nilai ini dengan tepat adalah mimpi buruk bagi produsen.
Konverter D/A ganda satu-bit memecahkan masalah ini dengan melewati bank resistor sepenuhnya. Resistor paralel tidak digunakan. Sebaliknya, ini menciptakan sinyal termodulasi berdasarkan data digital. Proses ini didasarkan pada pembentukan kebisingan.
Mengapa pembentukan kebisingan berhasil
Telinga manusia ada batasnya. Kami paling sensitif terhadap kebisingan sekitar 5 kHz. Hampir tidak terlihat hingga 20 KHz. Pembentukan kebisingan mendorong kesalahan kuantisasi (kebisingan) ke frekuensi yang lebih tinggi, sehingga tidak terdengar. DAC menghasilkan sinyal analog yang stabil tanpa memerlukan ratusan komponen presisi.
Peran modulator delta-sigma
Modulator delta-sigma adalah inti dari konverter ini. Mengambil sinyal biner (1 dan 0) dari CD dan mengubahnya menjadi kereta pulsa. Ini lebih dari sekedar streaming. Rangkaian pulsa berisi perubahan energi rata-rata setiap sampel.
Bentuk gelombang ledakan mempunyai frekuensi yang sangat tinggi. Kecepatan pengambilan sampel di atas 44,1kHz. Pengambilan sampel yang berlebihan ini penting. Selanjutnya, filter low-pass menghilangkan informasi domain waktu. Hanya mengembalikan energi rata-rata dari rangkaian pulsa. Hasilnya diumpankan ke DAC dan sinyal analog dikirim.
Bagaimana sirkuit rusak
Rangkaian delta-sigma memiliki dua bagian yang berbeda.
- Delta memonitor sinyal digital yang masuk dan rangkaian pulsa keluar. Berdasarkan perbedaan keduanya, hitung sinyal kesalahannya.
- Sigma merangkum hasil sinyal kesalahan ini. Jumlah ini akan dikirim ke filter low-pass.
Filter low-pass menggunakan sinyal kesalahan untuk merata-ratakan keluaran analog. Penyesuaian menit mengkompensasi kesenjangan antara masukan biner dan keluaran rangkaian pulsa. Hasilnya mulus.
Hasil
Dapatkan suara berkualitas tinggi dengan perangkat keras sederhana. Tidak perlu mencocokkan 65.536 resistor. Kebisingan didorong keluar dari jangkauan suara. Pendengar mendengar musik, bukan matematika.
Pendekatan ini mengubah cara pembuatan perlengkapan audio. Pindahkan kompleksitas dari presisi analog ke pemrosesan digital. Imbalannya adalah kekuatan komputasi. Namun bagi sebagian besar pendengar, pengorbanannya sepadan.
Teknologi di balik konverter ini sangat intensif. Diagram dan instruksi terperinci tersedia online. Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut, lihat Modulasi Delta Sigma dan Modulasi Delta Adaptif. Matematikanya rumit. Hasilnya sederhana. Suaranya jernih.
Masih bertanya-tanya bagaimana hal ini memengaruhi pendengaran Anda sehari-hari? Perbedaan antara DAC murah dan DAC kelas atas sering kali terletak pada kemampuannya menangani pembentukan kebisingan. Ini bukan hanya potongan dan sampel. Ini tentang bagaimana mesin menyembunyikan kekurangannya.
