L’audio digitale standard si basa su una premessa semplice: acquisire la forma d’onda, archiviare le informazioni matematiche e ricreare la forma d’onda. In teoria è pulito. In realtà si tratta di una serie di trasformazioni che provocano rumore, distorsione ed errori di fase.
Per capire perché esiste il convertitore digitale-analogico (DAC) a 1 bit, è necessario comprendere i meccanismi di base della registrazione digitale. L’obiettivo è alta fedeltà. Vogliamo che la riproduzione sia il più vicino possibile al segnale originale. è richiesta anche la riproduzione perfetta. Non importa quante volte l’hai ascoltato, dovrebbe suonare allo stesso modo ogni volta che premi play.
L’audio digitale raggiunge questo obiettivo eliminando completamente le onde analogiche. Converte invece la tensione audio continua in un flusso digitale. Un convertitore analogico-digitale (ADC) gestisce questa acquisizione. Un convertitore digitale-analogico (DAC) converte questi numeri in tensioni degli altoparlanti.
Questo processo è determinato da due variabili controllate durante il campionamento.
- Frequenza di campionamento: il numero di istantanee della forma d’onda scattate al secondo.
- Precisione di campionamento: Quanti livelli diversi (fasi di quantizzazione) ci sono tra il volume minimo e massimo.
Consideriamo un’ipotetica configurazione con una frequenza di campionamento di 1000 Hz e una risoluzione di 10 passi.
Ogni millisecondo, l’ADC prende la tensione corrente della forma d’onda e la arrotonda al numero intero più vicino compreso tra 0 e 9. Questi numeri interi sono una rappresentazione digitale. Il DAC tenta di ricostruire le curve durante la riproduzione. Il risultato è un’approssimazione passo passo dell’onda originale.
Questo passaggio potrebbe introdurre artefatti. C’è rumore. Si verifica una distorsione.
Un DAC a 1 bit elimina questa complessità. Non vuole essere una rappresentazione esatta. Non cerco di fare troppe cose contemporaneamente. Utilizza solo due modalità: acceso o spento. È alto o basso? 1 o zero.
I convertitori a 1 bit utilizzano tecniche chiamate sovracampionamento e modellazione del rumore aumentando la frequenza di campionamento fino a milioni di volte la frequenza audio. Sposta il rumore di quantizzazione dalla gamma udibile allo spettro ultrasonico, dove può essere facilmente filtrato.
Il risultato è una forma d’onda completamente diversa dalla linea blu sfalsata vista nei DAC tradizionali. Si tratta di un flusso grezzo di impulsi ad alta frequenza che, quando attenuato dall’altoparlante, produce un suono analogico uniforme.
Questo approccio viene spesso definito Direct Stream Digital (DSD). È stato sviluppato da Sony e Philips per il formato Super Audio CD. Non è solo un modo di archiviare i dati in modo diverso. Si tratta di una filosofia diversa su come affrontare il rumore.
I DAC multi-bit tradizionali (come i PCM a 16 o 24 bit) hanno problemi di linearità. Piccoli errori nel codice digitale hanno portato alla distorsione armonica. Un DAC a 1 bit non presenta tali problemi di linearità. È completamente acceso o completamente spento. “Quasi” non è un’opzione.
Tuttavia, questa semplicità comporta dei compromessi. La velocità dei dati è enorme. Un file audio CD standard richiede circa 10 MB al minuto. I file DSD della stessa qualità superano i 400 MB. Ecco perché non è nelle impostazioni predefinite di Spotify o Apple Music. È molto pesante. È complesso da elaborare.
Tuttavia, gli audiofili considerano le caratteristiche del suono nel modo seguente.
Diamo un’occhiata al confronto delle forme d’onda. La linea blu sembra disordinata rispetto alla linea rossa originale. I dettagli scompaiono. Le riproduzioni sono irregolari, imprecise e presentano evidenti difetti. Questo è un vero errore di campionamento. Questa è la differenza tra ciò che suona effettivamente il mondo analogico e ciò che registrano i sistemi digitali. Non puoi ignorarlo. Questo problema deve essere risolto aumentando due fattori: frequenza di campionamento e accuratezza.
Correzione del divario di precisione
I tentativi precedenti erano stati troppo approssimativi. Per ottenere risultati migliori, la velocità e la precisione dovrebbero essere raddoppiate. Ciò significa che il numero di misurazioni al secondo è raddoppiato e il numero di passaggi disponibili per la misurazione è raddoppiato.
In questo scenario aggiornato, il sistema acquisisce l’ampiezza a 20 gradazioni. Ciò avviene a una velocità di 2.000 campioni al secondo. Questo è un significativo passo avanti rispetto al tentativo a bassa fedeltà. La linea blu è ora più strettamente integrata con la linea rossa. I bordi frastagliati diventano più lisci. L’espressione si avvicina alla realtà.
Una frequenza di campionamento e una profondità di bit più elevate riducono gli errori tra la sorgente analogica e la copia digitale.
Perché questo è importante per l’audio di tutti i giorni
Potresti pensare che questa sia solo una teoria. Questo non è vero. Ogni volta che riproduci un brano o registri un memo vocale, il tuo dispositivo combatte la stessa battaglia. Se la frequenza di campionamento è troppo bassa, il suono risulterà distorto. Le alte frequenze vengono perse. La musica suona confusa o metallica. Anche la precisione è importante. Senza gradienti (bit) sufficienti, i dettagli silenziosi sfumano nel silenzio o nel rumore.
Raddoppiando la velocità a 2.000 campioni al secondo, puoi acquisire più forme d’onda. L’aumento del livello a 20 consente una separazione del volume più precisa. Il risultato è un segnale che sembra più un’esibizione dal vivo. Non è ancora perfetto. Ma è più vicino.
La linea rossa è ancora ideale. La linea blu è la migliore approssimazione. L’utilizzo di più punti dati e passaggi più precisi migliora l’adattamento. La differenza si sta riducendo. Ma a meno che tu non abbia risorse infinite, non scomparirà mai veramente. Questo è il compromesso. Una maggiore quantità di dati richiede maggiore capacità di archiviazione e di elaborazione. Meno dati consentono di risparmiare spazio, ma riducono la precisione. Devi scegliere dove tracciare la linea.
Accadono cose interessanti quando aumenti la frequenza di campionamento e la risoluzione. Osservando il grafico, la velocità e la precisione sono raddoppiate arrivando a 40 livelli a 4.000 campioni al secondo. Migliore fedeltà. La forma d’onda in uscita inizia ad assomigliare al segnale originale. Per i CD lo standard è di 44.100 campioni al secondo (44,1 KHz) con 65.536 gradazioni (16 bit). A questo livello, l’uscita del DAC corrisponde così fedelmente alla forma d’onda da sembrare “perfetta” all’orecchio umano.
Ma l’hardware può diventare rapidamente costoso.
I DAC tradizionali utilizzano resistori diversi per ciascun bit. Un DAC a 4 bit richiede quattro resistori in parallelo. Il passaggio a 16 o 32 bit richiede una resistenza sufficiente per gestire 65.536 gradazioni. Far corrispondere esattamente questi valori è un incubo per i produttori.
I convertitori D/A doppi a un bit risolvono questo problema bypassando completamente il banco di resistori. Non vengono utilizzate resistenze parallele. Crea invece un segnale modulato basato sui dati digitali. Questo processo si basa sul modellamento del rumore.
Perché la modellazione del rumore funziona
Le orecchie umane hanno i loro limiti. Siamo più sensibili al rumore intorno ai 5 kHz. Appena percettibile fino a 20 KHz. La modellazione del rumore spinge gli errori di quantizzazione (rumore) a frequenze più alte, rendendoli impercettibili. I DAC producono segnali analogici stabili senza la necessità di centinaia di componenti di precisione.
Ruolo del modulatore delta-sigma
Il modulatore delta-sigma è il cuore di questo convertitore. Prende un segnale binario (1 e 0) da un CD e lo converte in un treno di impulsi. Questo è molto più che un semplice streaming. Il treno di impulsi contiene la variazione di energia media di ciascun campione.
Le forme d’onda burst sono sincronizzate a una frequenza molto elevata. Frequenza di campionamento superiore a 44,1kHz. Questo sovracampionamento è importante. Successivamente, un filtro passa-basso rimuove le informazioni nel dominio del tempo. Restituisce semplicemente l’energia media del treno di impulsi. Il risultato viene inviato al DAC e viene inviato un segnale analogico.
Come si rompe il circuito
Il circuito delta-sigma ha due parti diverse.
- Delta monitora il segnale digitale in entrata e il treno di impulsi in uscita. In base alla differenza tra i due, calcolare il segnale di errore.
- Sigma riassume il risultato di questo segnale di errore. Questa somma verrà inviata al filtro passa-basso.
Il filtro passa-basso utilizza il segnale di errore per calcolare la media dell’uscita analogica. Piccole regolazioni compensano il divario tra l’ingresso binario e l’uscita del treno di impulsi. Il risultato è liscio.
Risultati
Ottieni un suono di alta qualità con un hardware semplice. Non è necessario abbinare i 65.536 resistori. Il rumore viene spinto fuori dalla gamma udibile. L’ascoltatore sente la musica, non la matematica.
Questo approccio cambia il modo in cui vengono costruite le apparecchiature audio. Sposta la complessità dalla precisione analogica all’elaborazione digitale. Il compromesso è la potenza di calcolo. Ma per la maggior parte degli ascoltatori, ne vale la pena.
La tecnologia alla base di questi convertitori è molto intensiva. Schemi dettagliati e istruzioni sono disponibili online. Se vuoi saperne di più, dai un’occhiata alla Modulazione Delta Sigma e alla Modulazione Delta adattiva. I conti sono complicati. Il risultato è semplice. Il suono è chiaro.
Ti stai ancora chiedendo come ciò influisce sul tuo udito quotidiano? La differenza tra DAC economici e DAC di fascia alta è spesso la loro capacità di gestire la modellazione del rumore. Non si tratta solo di frammenti e campioni. Riguarda il modo in cui le macchine nascondono i loro difetti.
