O áudio digital padrão é baseado em uma premissa simples: capturar a forma de onda, armazenar as informações matemáticas e recriar a forma de onda. Em teoria, está limpo. Na realidade, trata-se de uma série de transformações que causam ruído, distorção e erros de fase.
Para entender por que existe um conversor digital para analógico (DAC) de 1 bit, você precisa entender a mecânica básica da gravação digital. O objetivo é alta fidelidade. Queremos que a reprodução seja o mais próxima possível do sinal original. reprodução perfeita também é necessária. Não importa quantas vezes você tenha ouvido, o som deve soar igual toda vez que você apertar o play.
O áudio digital consegue isso eliminando totalmente as ondas analógicas. Em vez disso, converte a tensão de áudio contínua em um fluxo digital. Um conversor analógico-digital (ADC) cuida dessa captura. Um Conversor Digital para Analógico (DAC) converte esses números em tensões de alto-falante.
Este processo é determinado por duas variáveis que são controladas durante a amostragem.
- Taxa de amostragem: O número de instantâneos de formas de onda obtidos por segundo.
- Precisão de amostragem: Quantos níveis diferentes (etapas de quantização) existem entre o volume mínimo e máximo.
Considere uma configuração hipotética com frequência de amostragem de 1000 Hz e resolução de 10 passos.
A cada milissegundo, o ADC pega a tensão atual da forma de onda e a arredonda para o número inteiro mais próximo entre 0 e 9. Esses números inteiros são representação digital. O DAC tenta reconstruir as curvas ao reproduzi-las. O resultado é uma aproximação passo a passo da onda original.
Esta etapa pode introduzir artefatos. Há barulho. A distorção acontece.
Um DAC de 1 bit elimina essa complexidade. Não pretende ser uma representação exata. Não tento fazer muitas coisas ao mesmo tempo. Use apenas dois modos: ligado ou desligado. É alto ou baixo? 1 ou zero.
Os conversores de 1 bit usam técnicas chamadas sobreamostragem e modelagem de ruído, aumentando a taxa de amostragem em milhões de vezes a frequência de áudio. Ele move o ruído de quantização da faixa audível para o espectro ultrassônico, onde pode ser facilmente filtrado.
O resultado é uma forma de onda completamente diferente da linha azul escalonada vista nos DACs tradicionais. Este é um fluxo bruto de pulsos de alta frequência que, quando suavizado pelo alto-falante, produz um som analógico suave.
Esta abordagem é muitas vezes referida como Direct Stream Digital (DSD). Foi desenvolvido pela Sony e Philips para o formato Super Audio CD. Não é apenas uma forma de armazenar dados de forma diferente. Trata-se de uma filosofia diferente sobre como lidar com o ruído.
Os DACs multibits tradicionais (como PCM de 16 ou 24 bits) lutam com a linearidade. Pequenos erros no código digital levaram à distorção harmônica. Um DAC de 1 bit não apresenta esses problemas de linearidade. Ele está totalmente ligado ou totalmente desligado. “Quase” não é uma opção.
No entanto, essa simplicidade traz compensações. A velocidade dos dados é enorme. Um arquivo de áudio de CD padrão ocupa cerca de 10 MB por minuto. Arquivos DSD da mesma qualidade têm mais de 400 MB. É por isso que não está nas configurações padrão do Spotify ou do Apple Music. É muito pesado. É complexo de processar.
No entanto, os audiófilos consideram as características do som da seguinte maneira.
Vamos dar uma olhada na comparação da forma de onda. A linha azul parece confusa em comparação com a linha vermelha original. Os detalhes desaparecem. As reproduções são irregulares, imprecisas e apresentam falhas óbvias. Este é um verdadeiro erro de amostragem. Esta é a diferença entre o som real do mundo analógico e o que os sistemas digitais gravam. Você não pode ignorar isso. Este problema deve ser resolvido aumentando dois fatores: frequência de amostragem e precisão.
Corrigir lacuna de precisão
As tentativas anteriores foram muito difíceis. Para melhores resultados, a velocidade e a precisão devem ser duplicadas. Isto significa que o número de medições por segundo é duplicado e o número de passos disponíveis para medição é duplicado.
Neste cenário atualizado, o sistema captura a amplitude em 20 gradações. Isso é feito a uma taxa de 2.000 amostras por segundo. Este é um avanço significativo em relação à tentativa de baixa fidelidade. A linha azul está agora mais integrada com a linha vermelha. As bordas irregulares ficam mais suaves. A expressão fica mais próxima da realidade.
Maior taxa de amostragem e maior profundidade de bits reduzem erros entre a fonte analógica e a cópia digital.
Por que isso é importante para o áudio do dia a dia
Você pode pensar que isso é apenas uma teoria. Isto não é verdade. Cada vez que você toca uma música ou grava uma mensagem de voz, seu dispositivo trava a mesma batalha. Se a taxa de amostragem for muito baixa, o som ficará distorcido. As altas frequências são perdidas. A música soa turva ou metálica. A precisão também é importante. Sem gradientes (bits) suficientes, os detalhes silenciosos se transformam em silêncio ou ruído.
Ao duplicar a velocidade para 2.000 amostras por segundo, você pode capturar mais formas de onda. Aumentar o nível para 20 permite uma separação de volume mais precisa. O resultado é um sinal que mais parece uma performance ao vivo. Ainda não está perfeito. Mas está mais perto.
A linha vermelha ainda é ideal. A linha azul é a melhor aproximação. Usar mais pontos de dados e etapas mais precisas melhora o ajuste. A diferença está ficando menor. Mas a menos que você tenha recursos infinitos, ele nunca desaparece de verdade. Esse é o compromisso. Mais dados requerem mais capacidade de armazenamento e processamento. Menos dados economizam espaço, mas reduzem a precisão. Você tem que escolher onde traçar a linha.
Coisas interessantes acontecem quando você aumenta a taxa de amostragem e a resolução. Olhando para o gráfico, a velocidade e a precisão dobraram para 40 níveis a 4.000 amostras por segundo. Melhor fidelidade. A forma de onda de saída começa a se parecer com o sinal original. Para CD, o padrão é 44.100 amostras por segundo (44,1 KHz) com 65.536 gradações (16 bits). Neste nível, a saída do DAC corresponde tão estreitamente à forma de onda que parece “perfeita” ao ouvido humano.
Mas o hardware pode ficar caro rapidamente.
Os DACs tradicionais usam resistores diferentes para cada bit. Um DAC de 4 bits requer quatro resistores em paralelo. Mudar para 16 ou 32 bits requer resistência suficiente para lidar com 65.536 gradações. Corresponder exatamente a esses valores é um pesadelo para os fabricantes.
Os conversores D/A duplos de um bit resolvem esse problema ignorando totalmente o banco de resistores. Resistores paralelos não são usados. Em vez disso, cria um sinal modulado baseado nos dados digitais. Este processo é baseado na modelação de ruído.
Por que a modelagem de ruído funciona
Os ouvidos humanos têm seus limites. Somos mais sensíveis a ruídos em torno de 5 kHz. Quase imperceptível até 20 KHz. A modelagem de ruído empurra os erros de quantização (ruído) para frequências mais altas, tornando-os inaudíveis. Os DACs produzem sinais analógicos estáveis sem a necessidade de centenas de componentes de precisão.
Papel do modulador delta-sigma
O modulador delta-sigma é o coração deste conversor. Pega um sinal binário (1s e 0s) de um CD e o converte em um trem de pulso. Isso é mais do que apenas streaming. O trem de pulso contém a mudança média de energia de cada amostra.
As formas de onda burst são cronometradas em uma frequência muito alta. Taxa de amostragem acima de 44,1kHz. Essa sobreamostragem é importante. Em seguida, um filtro passa-baixa remove as informações no domínio do tempo. Apenas retorna a energia média do trem de pulsos. O resultado é enviado ao DAC e um sinal analógico é enviado.
Como o circuito quebra
O circuito delta-sigma possui duas partes diferentes.
- Delta monitora o sinal digital de entrada e o trem de pulsos de saída. Com base na diferença entre os dois, calcule o sinal de erro.
- Sigma resume o resultado deste sinal de erro. Essa soma será enviada para o filtro passa-baixa.
O filtro passa-baixa usa o sinal de erro para calcular a média da saída analógica. Os ajustes minuciosos compensam as lacunas entre a entrada binária e a saída do trem de pulsos. O resultado é suave.
Resultados
Obtenha som de alta qualidade com hardware simples. Não há necessidade de combinar os 65.536 resistores. O ruído é empurrado para fora do alcance audível. O ouvinte ouve música, não matemática.
Esta abordagem muda a forma como o equipamento de áudio é construído. Transfira a complexidade da precisão analógica para o processamento digital. A compensação é o poder de computação. Mas para a maioria dos ouvintes, a compensação vale a pena.
A tecnologia por trás desses conversores é muito intensiva. Diagramas detalhados e instruções estão disponíveis online. Se você quiser saber mais, confira Modulação Delta Sigma e Modulação Delta Adaptativa. A matemática é complicada. O resultado é simples. O som é claro.
Ainda está se perguntando como isso afeta sua audição diária? A diferença entre DACs baratos e DACs de última geração geralmente é sua capacidade de lidar com a modelagem de ruído. Não são apenas pedaços e amostras. É sobre como as máquinas escondem suas falhas.
