Standaard digitale audio is gebaseerd op een eenvoudig uitgangspunt: het vastleggen van de golfvorm, het opslaan van de wiskundige informatie en het opnieuw creëren van de golfvorm. In theorie is het schoon. In werkelijkheid is dit een reeks transformaties die ruis, vervorming en fasefouten veroorzaken.
Om te begrijpen waarom er een 1-bit digitaal-naar-analoog converter (DAC) bestaat, moet u de basismechanismen van digitale opname begrijpen. Het doel is hoge betrouwbaarheid. We willen dat de weergave zo dicht mogelijk bij het originele signaal komt. perfecte reproductie is ook vereist. Hoe vaak je er ook naar hebt geluisterd, het zou elke keer dat je op play drukt hetzelfde moeten klinken.
Digitale audio bereikt dit door analoge golven volledig te elimineren. In plaats daarvan zet het de continue audiospanning om in een digitale stroom. Een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) zorgt voor deze opname. Een Digitaal-naar-Analoog Converter (DAC) zet deze getallen om in luidsprekerspanningen.
Dit proces wordt bepaald door twee variabelen die tijdens de bemonstering worden gecontroleerd.
- Bemonsteringsfrequentie: Het aantal golfvorm-snapshots dat per seconde wordt gemaakt.
- Samplingprecisie: Hoeveel verschillende niveaus (kwantiseringsstappen) er zijn tussen het minimum- en maximumvolume.
Beschouw een hypothetische opstelling met een bemonsteringsfrequentie van 1000 Hz en een resolutie van 10 stappen.
Elke milliseconde neemt de ADC de huidige spanning van de golfvorm en rondt deze af op het dichtstbijzijnde gehele getal tussen 0 en 9. Deze gehele getallen zijn digitale representaties. De DAC probeert de curven te reconstrueren tijdens het afspelen ervan. Het resultaat is een stapsgewijze benadering van de oorspronkelijke golf.
Deze stap kan artefacten introduceren. Er is lawaai. Er vindt vervorming plaats.
Een 1-bit DAC elimineert deze complexiteit. Het is niet bedoeld als een exacte weergave. Ik probeer niet te veel dingen tegelijk te doen. Gebruik slechts twee modi: aan of uit. Is het hoog of laag? 1 of nul.
1-bit converters maken gebruik van technieken die oversampling en noise shaping worden genoemd, door de bemonsteringssnelheid te verhogen tot miljoenen keren de audiofrequentie. Het verplaatst de kwantiseringsruis van het hoorbare bereik naar het ultrasone spectrum, waar het gemakkelijk kan worden uitgefilterd.
Het resultaat is een golfvorm die compleet anders is dan de verspringende blauwe lijn die je ziet in traditionele DAC’s. Dit is een ruwe stroom hoogfrequente pulsen die, wanneer ze door de luidspreker worden afgevlakt, een vloeiend analoog geluid produceren.
Deze aanpak wordt vaak Direct Stream Digital (DSD) genoemd. Het is ontwikkeld door Sony en Philips voor het Super Audio CD-formaat. Het is niet alleen een manier om gegevens anders op te slaan. Het gaat over een andere filosofie over hoe om te gaan met lawaai.
Traditionele multi-bit DAC’s (zoals 16-bit of 24-bit PCM) worstelen met lineariteit. Kleine fouten in de digitale code leidden tot harmonische vervorming. Een 1-bit DAC heeft dergelijke lineariteitsproblemen niet. Het is volledig aan of volledig uit. ‘Bijna’ is geen optie.
Deze eenvoud brengt echter nadelen met zich mee. De datasnelheid is enorm. Een standaard cd-audiobestand neemt ongeveer 10 MB per minuut in beslag. DSD-bestanden van dezelfde kwaliteit zijn groter dan 400 MB. Daarom staat het niet in de standaardinstellingen van Spotify of Apple Music. Het is erg zwaar. Het is complex om te verwerken.
Audiofielen beschouwen de kenmerken van het geluid echter als volgt.
Laten we eens kijken naar de golfvormvergelijking. De blauwe lijn ziet er rommelig uit vergeleken met de originele rode lijn. Details verdwijnen. De reproducties zijn ongelijkmatig, onnauwkeurig en vertonen duidelijke gebreken. Dit is een echte bemonsteringsfout. Dit is het verschil tussen hoe de analoge wereld eigenlijk klinkt en wat digitale systemen opnemen. Je kunt het niet negeren. Dit probleem moet worden opgelost door twee factoren te verhogen: de bemonsteringsfrequentie en nauwkeurigheid.
Nauwkeurigheidsverschil corrigeren
Eerdere pogingen waren te ruw. Voor betere resultaten moeten de snelheid en nauwkeurigheid worden verdubbeld. Dit betekent dat het aantal metingen per seconde wordt verdubbeld en het aantal beschikbare stappen voor meting wordt verdubbeld.
In dit bijgewerkte scenario legt het systeem de amplitude vast bij 20 gradaties. Dit gebeurt met een snelheid van 2.000 monsters per seconde. Dit is een aanzienlijke stap vooruit ten opzichte van pogingen tot lagere betrouwbaarheid. De blauwe lijn is nu nauwer geïntegreerd met de rode lijn. De gekartelde randen worden gladder. De uitdrukking komt dichter bij de werkelijkheid.
Hogere bemonsteringsfrequentie en hogere bitdiepte verminderen fouten tussen analoge bron en digitale kopie.
Waarom dit belangrijk is voor alledaagse audio
Je zou kunnen denken dat dit slechts een theorie is. Dit is niet waar. Elke keer dat u een nummer afspeelt of een spraakmemo opneemt, voert uw apparaat dezelfde strijd. Als de samplingfrequentie te laag is, wordt het geluid vervormd. Hoge frequenties gaan verloren. De muziek klinkt modderig of metaalachtig. Nauwkeurigheid is ook belangrijk. Zonder voldoende gradiënten (bits) vervagen de stille details in stilte of ruis.
Door de snelheid te verdubbelen tot 2.000 samples per seconde, kunt u meer golfvormen vastleggen. Het verhogen van het niveau naar 20 maakt een fijnere volumescheiding mogelijk. Het resultaat is een signaal dat meer aanvoelt als een live optreden. Het is nog niet perfect. Maar het is dichterbij.
De rode lijn is nog steeds ideaal. De blauwe lijn is de beste benadering. Het gebruik van meer datapunten en nauwkeurigere stappen verbetert de pasvorm. Het verschil wordt steeds kleiner. Maar tenzij je over oneindige hulpbronnen beschikt, verdwijnt het nooit echt. Dat is het compromis. Meer gegevens vereisen meer opslag- en verwerkingskracht. Minder gegevens besparen ruimte, maar verminderen de nauwkeurigheid. Je moet kiezen waar je de grens trekt.
Er gebeuren interessante dingen als u de bemonsteringssnelheid en resolutie verhoogt. Kijkend naar de grafiek zijn de snelheid en nauwkeurigheid verdubbeld tot 40 niveaus bij 4.000 monsters per seconde. Betere trouw. De uitgangsgolfvorm begint op het originele signaal te lijken. Voor CD is de standaard 44.100 samples per seconde (44,1 KHz) met 65.536 gradaties (16 bits). Op dit niveau komt de DAC-uitvoer zo nauw overeen met de golfvorm dat deze “perfect” klinkt voor het menselijk oor.
Maar hardware kan snel duur worden.
Traditionele DAC’s gebruiken voor elke bit verschillende weerstanden. Voor een 4-bits DAC zijn vier parallelle weerstanden nodig. Overstappen naar 16-bit of 32-bit vereist voldoende weerstand om 65.536 gradaties te verwerken. Het exact matchen van deze waarden is een nachtmerrie voor fabrikanten.
De Eén-bit dubbele D/A-converters lossen dit probleem op door de weerstandsbank volledig te omzeilen. Parallelle weerstanden worden niet gebruikt. In plaats daarvan creëert het een gemoduleerd signaal op basis van de digitale gegevens. Dit proces is gebaseerd op noise shaping.
Waarom noise shaping werkt
Menselijke oren hebben hun grenzen. Wij zijn het meest gevoelig voor ruis rond de 5 kHz. Nauwelijks merkbaar tot 20 kHz. Ruisvorming duwt kwantiseringsfouten (ruis) naar hogere frequenties, waardoor ze onhoorbaar worden. DAC’s produceren stabiele analoge signalen zonder dat er honderden precisiecomponenten nodig zijn.
Rol van delta-sigma-modulator
De delta-sigma modulator is het hart van deze converter. Neemt een binair signaal (1s en 0s) van een CD en zet dit om in een pulstrein. Dit is meer dan alleen streamen. De pulstrein bevat de gemiddelde energieverandering van elk monster.
Burst-golfvormen worden op een zeer hoge frequentie geklokt. Bemonsteringsfrequentie boven 44,1 kHz. Deze overbemonstering is belangrijk. Vervolgens verwijdert een laagdoorlaatfilter de tijddomeininformatie. Geeft alleen de gemiddelde energie van de pulstrein terug. Het resultaat wordt naar de DAC gevoerd en er wordt een analoog signaal verzonden.
Hoe het circuit kapot gaat
Het delta-sigmacircuit bestaat uit twee verschillende delen.
- Delta bewaakt het binnenkomende digitale signaal en de uitgaande pulstrein. Bereken het foutsignaal op basis van het verschil tussen de twee.
- Sigma vat het resultaat van dit foutsignaal samen. Dit bedrag wordt naar het laagdoorlaatfilter gestuurd.
Het laagdoorlaatfilter gebruikt het foutsignaal om de analoge uitvoer te middelen. Minutieuze aanpassingen compenseren de gaten tussen de binaire ingang en de pulstreinuitgang. Het resultaat is glad.
Resultaten
Geniet van geluid van hoge kwaliteit met eenvoudige hardware. Het is niet nodig om de 65.536 weerstanden te matchen. Het geluid wordt buiten het hoorbare bereik geduwd. De luisteraar hoort muziek, geen wiskunde.
Deze aanpak verandert de manier waarop audioapparatuur wordt gebouwd. Verplaats de complexiteit van analoge precisie naar digitale verwerking. De wisselwerking is rekenkracht. Maar voor de meeste luisteraars is de afweging de moeite waard.
De technologie achter deze converters is zeer intensief. Gedetailleerde diagrammen en instructies zijn online beschikbaar. Als je meer wilt weten, bekijk dan Delta Sigma Modulation en Adaptive Delta Modulation. De wiskunde is ingewikkeld. Het resultaat is eenvoudig. Het geluid is helder.
Vraagt u zich nog steeds af welke invloed dit heeft op uw dagelijks gehoor? Het verschil tussen goedkope DAC’s en high-end DAC’s is vaak hun vermogen om met ruisvorming om te gaan. Het zijn niet alleen maar stukjes en samples. Het gaat over hoe machines hun gebreken verbergen.
