🆖 ㊙️ 🔗 Resampling. Digitale Mauer gegen Verschwörungstheorie. Weihnachtsgeschichte für Liebhaber von klarem Klang 👩🏻‍🚀 😒 😃

Kein Mythos hat so viele Mythen angehäuft wie
im Bereich der HiFi- und Hi-End-Geräte zur Tonwiedergabe.
Hit Weihnachtsgeschichte auf einem von ihnen!

Als das alte Jahr bereits verbracht war, wurde das neue Jahr zuerst in einem engen Familienkreis und dann mit weiteren Verwandten begrüßt, als die Neujahrssalate endeten oder unbrauchbar wurden und einen Kater auslösten ...

Diejenigen, diedas neue Jahr im Auslandnicht wollten ~~oder nicht~~ feiern ~~konnten,~~ beginnen Fühlen Sie den Anruf eines PCs.

Für sie handelt meine Weihnachtsgeschichte von den Grundlagen des Resamplings - eine Technologie, die die Wiedergabequalität von Audio-CDs zu Beginn des Jahrtausends erheblich verbessert hat. Zu diesem Zeitpunkt wurden 18- und sogar 20-Bit-Digital-Analog-Wandler verwendet, um 16-Bit-Aufnahmen abzuspielen. Auf den ersten Blick sah es aus wie ein Marketingtrick von Herstellern, der darauf abzielte, einen zusätzlichen Teil des Geldes aus den Brieftaschen leichtgläubiger Audiophiler zu ziehen, aber diesmal können Anhänger der Verschwörungstheorie beiseite rauchen. In der Tat war dies ein erfolgreicher Versuch, die Qualität der Reproduktion zu verbessern und den Preis für teure professionelle Geräte zu senken. Die Geschichte ist alt, aber lehrreich und in vielerlei Hinsicht relevant für diesen Tag.

Der Digital-Analog-DAC ist das Herzstück jedes Audioproduktionssystems, das CDs als Quelle verwendet. Es ist mit der komplexen und heiklen Aufgabe betraut, eine Folge von 16-Bit-Zahlen zu dekodieren und in ein vom menschlichen Ohr wahrgenommenes Format umzuwandeln.

Bereits 1983 erschien der erste legendäre Magnavox-Kult-CD-Player mit einem doppelten 14-Bit-Konverter. Zu Beginn des Jahrhunderts verfügten jedoch viele hochwertige CD-Wiedergabesysteme über 18- oder sogar 20-Bit-Konverter. Warum?

Ein bisschen Theorie, fast ohne Formeln

Das Konzept der Digital-zu-Analog - Umwandlung basiert auf zwei Säulen: eine Abtastfrequenz von Abtasten und Bit - Quantisierung .

Um Ton im PCM-Format abzuspielen, müssen wir die digitalen Werte in regelmäßigen Abständen in die entsprechenden analogen Spannungs- oder Stromwerte umwandeln. Die Frequenz dieser Transformationen ist die Abtastfrequenz. Nach dem Nyquist-Theorem ist es somit möglich, Signale mit einer Frequenz von nicht mehr als der Hälfte der Abtastfrequenz zu reproduzieren. Die gängigsten Formate, die in der Lage sind, Signale mit einer vom menschlichen Ohr wahrgenommenen Frequenz wiederzugeben. Die ~~allgemein akzeptierte Zahl beträgt 20 kHz~~ und Abtastfrequenzen von 44,1 und 48 kHz.

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Ersteres wird immer noch häufig in Audio-CDs (CDDA, Eng. Compact Disc Digital Audio, auch Eng. Audio-CD und Red Book genannt) verwendet, und letzteres stammt aus einer Reihe von Standards für professionelle Aufnahmegeräte.

Stellen wir uns vor, dass ein Audiosignal bei der Aufnahme auf einen idealen Analog-Digital-Wandler trifft. Es hat kein eigenes Rauschen und keine eigene Verzerrung und wandelt den Momentanwert des ankommenden Signals in einen digitalen Wert mit einer bestimmten Bittiefe um, beispielsweise 16 Bit, wie es im Audio-CD-Format üblich ist. In diesem Fall beträgt der theoretisch erreichbare Dynamikbereich des Signals (das Verhältnis zwischen den digitalisierten Signalen mit dem höchsten und dem niedrigsten Pegel) 98,1 dB. Um diesen Wert zu berechnen, wird häufig eine ungefähre Formel verwendet, nach der jedes zusätzliche Bit dem theoretisch erreichbaren Dynamikbereich 6 Dezibel hinzufügt. Für ein 16-Bit-Signal erhalten wir:

6 dB / Bit * 16 Bit = 96 dB .

Ein echtes Musiksignal besteht meistens nicht aus einem reinen Ton, sondern aus einer Mischung einer großen Anzahl von Harmonischen, die ihre Frequenz und Amplitude schnell ändern. Bei Harmonischen mit einer Amplitude von weniger als einem Bit des ADC ist es unmöglich, die Korrelation mit dem ursprünglichen Signal wiederherzustellen, und als Ergebnis der Codierungs-Decodierungs-Operation verwandeln sie sich in weißes Rauschen. Darüber hinaus werden Geräusche durch sich schnell ändernde Signale mit einer großen Amplitude erzeugt, was wir in der Popmusik oft sagen werden.

Von idealen Annäherungen zum wirklichen Leben. Die Probleme der ersten CD-Player

Seit Beginn des Einsatzes digitaler Technologie bei der Tonaufnahme gibt es einen ständigen Wettlauf um die Steigerung ihrer Produktivität und die Senkung der Kosten. Die ersten CD-Player hatten einen einzelnen parallelen DAC und zwei Eingangsschaltungen, die ihr abwechselnd Signale vom rechten oder linken Kanal zuführten. Die momentanen Pegel von Analogsignalen am DAC-Ausgang wurden unter Verwendung spezieller Schaltungen für die Zeit zwischen zwei Ablesungen aufgezeichnet und abwechselnd getrennten Verstärkern des rechten und linken Kanals zugeführt. Dies führte zu zusätzlichen Verzerrungen, deren Wert von der Differenz der momentanen Schallpegel der Kanäle abhing. Unter dem Druck von Kritikern von Auidophilen mussten die Hersteller auf ein System mit separaten DACs für jeden Kanal umsteigen.

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Am Ausgang des DAC befindet sich ein schrittweises Signal, das dem glatten Quellensignal nicht zu ähnlich ist. Es gibt Verzerrungen, die für das Ohr unangenehm sind. Stellen wir uns der Einfachheit halber vor, dass eine einzelne Harmonische mit einer Frequenz von 1 kHz an den Eingang angelegt wurde. Die Rekonstruktion des digitalisierten Signals führt tatsächlich zum Auftreten einer Intermodulationsverzerrung zwischen dem ursprünglichen Signal und der Abtastfrequenz - in unserem Fall 44,1 kHz. (Der Mechanismus des Auftretens von Intermodulationsverzerrungen und des Bildungsprogramms für Harmonische, falls erforderlich, ist in meinem letzten Artikel zu finden. )

Trotz der Tatsache, dass parasitäre Harmonische außerhalb des menschlichen Ohrs liegen, wirken sie sich nachteilig auf den Verstärkungstrakt aus und es ist besser, sie loszuwerden.

In den frühen Modellen von Geräten zur Wiedergabe digitaler Inhalte wurden hierfür Filter verwendet, die eine flache Charakteristik bis zu einer Frequenz von 20 kHz und dann eine scharfe Dämpfung des Pegels um 80 dB oder mehr aufwiesen. In der englischen Terminologie werden solche Filter als Mauer bezeichnet, im Russischen werden sie manchmal analog als „Mauer“ bezeichnet. Das Problem war, dass analoge Tiefpassfilter hoher Ordnung sehr empfindlich auf die Genauigkeit der Werte der passiven Komponenten reagieren, aus denen sie bestehen. Noch komplizierter wird die Situation durch die erforderlichen Bewertungen, die ~~außerhalb des Standardbereichs liegen~~und spezielle Anforderungen an die Qualität dieser Komponenten, die erforderlich sind, um einen minimalen Beitrag zur Signalverzerrung zu erzielen. Infolgedessen erwiesen sich die Kosten dieser Filter als unerschwinglich, aber das Traurigste ist, dass sie die Anforderungen von Audiophilen nicht erfüllen konnten, da diese Filter große Phasenverzerrungen aufwiesen, insbesondere an den Rändern des reproduzierten Bereichs. Daher wird der Sound der frühen Versionen von CD-Playern ~~trotz der hohen Kosten von den~~ Audiophilen als „ grobkörnig “ bezeichnet.

Digitale Filter eilen zur Rettung. Finger-Oversampling

Ein ~~wichtiger~~ Schritt zur Verbesserung der Klangqualität ~~und vor allem der Verfügbarkeit~~ war die Einführung der Signal-Oversampling-Technologie, der dieser Artikel gewidmet ist.

Stellen wir uns zur Verdeutlichung des Wesens den Prozess der Signalwiederherstellung mit der beliebten GOST-Frequenz von 1 kHz vor. Abbildung A zeigt eine Reihe von Abtastwerten der Signalkomponenten, die am DAC-Ausgang erscheinen, und rechts die Spektralkomponenten zweiter und dritter Ordnung, die im Signal am DAC-Ausgang enthalten sind. Sie können sehen, dass das Signal nichts anderes als ein Produkt der Intermodulationsverzerrung zwischen dem Anfangston mit einer Frequenz von 1 kHz und der häufigen Digitalisierung von 44,1 kHz ist.

Wir werden die Signalabtastrate durch eine Elementaroperation viermal erhöhen - indem wir drei zusätzliche Abtastwerte zwischen zwei benachbarten Abtastwerten hinzufügen, von denen jeder Nullwerte hat, wie in Abbildung C gezeigt. Fügen Sie gleichzeitig die zwei niedrigstwertigen Bits in jedem Abtastwert hinzu und füllen Sie sie auch mit Nullen. Jetzt haben wir 18-Bit-Beispielwerte. Infolge dieser Operation hat sich das Signalspektrum nicht tatsächlich geändert, sondern es ist tatsächlich eine grundlegende Änderung aufgetreten. Oberschwingungen zweiter Ordnung, die durch die Abtastfrequenz verursacht werden, sind Teil des Spektrums des Hauptsignals geworden. Derivative Harmonische haben sich über die Frequenz von 44,1 kHz bewegt. Dies ist in Abbildung D dargestellt.

Im Spektralbereich des Hauptsignals kann die digitale Filterung erfolgreich angewendet werden. Dazu wird ein digitales Filter höherer Ordnung mit dem in Abbildung gezeigten Frequenzgang verwendetDie F . Physikalisch erhalten wir zusätzliche Zwischenpunkte zwischen den verfügbaren Abtastwerten des Signals, die die Übergänge zwischen den beiden Werten aufgrund des Auftretens von zwei zusätzlichen Bits in der Amplitudendarstellung glätten.

Nachdem der digitale Filter die ganze harte und schmutzige Arbeit erledigt hat, speisen wir das resultierende Signal mit einer Abtastfrequenz von 44,1 * 4 = 176,4 kHz in den DAC ein.

Es bleibt, unserem Kuchen eine Kirsche hinzuzufügen - das Signal durch das einfachste analoge Filter dritter Ordnung zu leiten, das die Unterdrückung von Harmonischen in einem bestimmten Bereich perfekt bewältigt und keine merklichen Phasenverzerrungen hervorruft.

Das Ergebnis: Das Spektrum des empfangenen Signals ist dem Original viel näher gekommen, die darin enthaltenen parasitären Komponenten sind stark gedämpft und Phasenverzerrungen werden aufgrund der Möglichkeiten der digitalen Filterung minimiert.

Hardware-Implementierung

Die Abbildung zeigt die Hardware-Implementierung der oben beschriebenen Lösung. Resampling und digitale Filterung werden mit dem CXD1088Q-Chip durchgeführt, der von SONY, einem der Vorläufer des Audio-CD-Formats, hergestellt wird. Eine einfache Logikschaltung startet wiederum die Umwandlung von zwei separaten 18-Bit-DAC AD1860.

Welche Vorteile haben wir durch unsere digitalen Tricks erhalten?

Reduzierung der Intermodulationsverzerrung
Geringe Phasenverzerrung durch das Filter
Hervorragende Unterdrückung höherer Harmonischer bei der Digital-Analog-Wandlung, die als Quelle für Intermodulationsverzerrungen im Verstärkungspfad dienen kann
Die Verwendung von Digital-Analog-Wandlern mit höheren Bittiefen ermöglicht es, die Nichtlinearität der Umwandlung und den harmonischen Verzerrungskoeffizienten zu reduzieren, da sie bessere Parameter haben
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CD Hi Fi .

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, “ ”, ~~und nicht nur~~ Verzerrungen und heben ihren Preis in den Himmel.

Einen detaillierteren Vergleich der Funktionsweise von analogen und digitalen Filtern sowie Antworten auf typische Fragen finden Sie im nächsten Artikel

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Bei der Vorbereitung der Veröffentlichung werden Materialien aus dem Artikel DAC ICs: Wie viele Bits werden benötigt? verfasst von Robert Adams

Resampling. Digitale Mauer gegen Verschwörungstheorie. Weihnachtsgeschichte für Liebhaber von klarem Klang