Audiosignale digitalisieren

DAC Converter: DSD statt PCM?

Mit „Direct Stream Digital“ (DSD) legten Sony und Philips einen 1-bittigen Datenstrom ihrer DAC Converter mit dem 64-fachen der CD-Standardabtastrate 44,1 kHz als alleiniges Format für die Super Audio CD (SACD) fest, womit trotz der im Vergleich zur CD vierfachen benötigten Speicherkapazität nur knapp die Qualität von 20-Bit / 96 kHz PCM erreicht wird – im Gegensatz zu den flexiblen Audio-Formaten für DVD und Blu-Ray, die sich in den DAC Convertern bei Bedarf auf bis zu 24 Bit und 192 kHz Abtastrate skalieren lassen. Aber auch die gute alte CD lässt sich mit ein paar wohlbekannten Tricks mühelos auf über 100 dB Dynamikumfang boosten – hier wird daran erinnert, wie.

DAC-Converter

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Die „Erfindung“ des mittlerweile veralteten Digital-Formats DSD war eng an die DAC Converter Technologie der ersten 20-Bit ΔΣ-Audio-AD-Converter und –DA-Converter in den frühen 90er Jahren geknüpft. Deren nur zur Standard-1×-Abtastrate fähigen Modulatoren wurden lediglich mit dem 64-fachen Oversampling betrieben. Ihr Noise Shaping war so ausgelegt, dass sich bis 20 kHz ein gleichbleibend niedriges Grundrauschen, theoretisch in der Summe bis ca. 120 dB unter Vollaussteuerung, ergab und darüber dann sehr steil anstieg.

Ein Blick auf den Signalfluss der AD- und anschließenden DA-Wandlung mit den alten 1-bittigen ΔΣ DAC Converter verrät, dass an den Ausgängen der ΔΣ-Modulatoren auf AD- und DA-Seite äquivalente 1-Bit Signale mit 64-facher Abtastrate erzeugt werden. Hier setzte nun die DSD-Idee an: statt Filterung und Dezimierung auf der AD-Seite der DAC Converter und anschließendem Oversampling und erneute Umsetzung auf 1 Bit im DAC lässt sich das Ausgangssignal des AD-seitigen Sigma-Delta-Modulators anzapfen und direkt auf die Switched Capacitor-Schaltstufe des DAC führen. Genau dieses 1-Bit-Zwischensignal mit 2.8224 Mb/s pro Kanal der frühen ΔΣ-Audio-Converter für die Standradrate wird auf der SACD gespeichert, welche von Sony/Philips nach dem politisch begründeten Rückzug aus dem DVD-A Konsortium als qualitativ hochwertigerer Nachfolger der CD erkoren wurde.

Die auf den ersten Blick einleuchtende Vereinfachung des DA/DA Wandlungsprozesses durch Umgehung der digitalen Filter und Requantisierer warf allerdings eine Fülle von praktischen Problemen auf und wurde in kurzer Zeit eh von der technischen Entwicklung überrollt. Schon bald tauchten nämlich die ersten DAC Converter auf, die mit höherem Oversampling arbeiteten und PCM mit 2×- und 4× Standard-Abtastrate liefern konnten. Bei diesen verschiebt sich der Beginn des steilen Rauschanstiegs um mindestens eine Oktave nach oben.

Die Flaggschiffe der großen Halbleiterhersteller arbeiten außerdem seit geraumer Zeit alle mit Multi-Bit-Modulatoren, bei welchen das für die Verwendung auf der SACD festzementierte 1-Bit Signal intern nirgends mehr vorkommt. Es muss durch einen zusätzlichen digitalen 1-Bit ΔΣ-Modulator verlustbehaftet aus dem mehrbittigen nativen Ausgangssignal des Quantisierers im ADC gewonnen werden. Da dieses aber im normalen Betriebszustand des ADC die doppelte oder gar vierfache Taktrate von DSD für die SACD aufweist, können nur einige wenige existierende Festplatten-Recorder zur Aufzeichnung verwendet oder aber der ADC muss künstlich herunter getaktet werden, wobei seine Performance sinkt.

PCM-DSD-Multibit

In den frühen 90er Jahren waren 20-Bit-ADCs, die mit 64-fachem Oversampling liefen und nur die Standard-Abtastraten bis 48 kHz liefern konnten, der Stand der Technik. Ihr Komparator lieferte einen Bitstream, der in äquivalenter Form auch wieder bei der Wiedergabe in ΔΣ-DACs erzeugt wurde. Dies bewog Ingenieure bei Sony zu der Idee, unter Umgehung der digitalen Anti-Aliasing-Filter auf der Aufnahme- und Wiedergabeseite direkt diesen Bitstream aufzuzeichnen – ungefiltert, mit dem kompletten, ab 20 kHz steil ansteigenden Quantisierungsrauschen. Und so wurden DSD und die SACD, ein Derivat der DVD, geboren.

DSD-fähige Multi-Bit DAC Converter wiederum haben einen extra Tiefpass („DSD-Filter“, in der Praxis ein gleitender Mittelwertbilder) eingebaut, um den 1-Bit-Datenstrom in das benötige 5- oder 6-Bit Signal der DAC-Schaltstufe zu überführen. Somit hat der gesamte Ansatz nicht nur seine Eleganz, sondern auch seine Daseinsberechtigung als puristische Lösung mit weniger Signalverarbeitungsstufen verloren.

Die zunächst ganz einleuchtende Vereinfachung wurde jedoch schnell vom Fortschritt der DAC Converter Technik überrollt. Heutige Converter arbeiten zwecks Erzielung eines Dynamikumfangs von über 120 dB grundsätzlich mit Multibit-ΔΣ-Modulatoren bei 128- oder sogar 256-fachen Oversampling. Das einbittige DSD64-Signal für die Verewigung auf SACD kommt bei ihnen nicht mehr vor – weder von der Frequenz her noch von der Datenbreite.

Es lässt sich bestenfalls verlustbehaftet als DSD128 mit doppelter oder DSD256 mit vierfacher Frequenz erzeugen und auf manchen Recordern aufzeichnen. Für die Produktion und das Mastering von SACDs wird heutzutage aber ganz selbstverständlich auf „normale“ PCM-Aufnahmetechnik mit bis zu 352,8 kHz Abtastrate zurückgegriffen.

DSD-wide = PCM-narrow?

Ursprünglich war von Sony/Philips vollmundig ein völlig neues Paradigma für digitales Audio ausgerufen worden, bei dem von der Aufnahme über das Editieren, Mixen und Mastern bis hin zum Distributionsmedium nur noch DSD verwendet werden sollte. Schnell mussten aber die Ingenieure einsehen, dass dies unmöglich ist. Jede noch so triviale digitale Signalmanipulation wie zum Beispiel Lautstärkeregelung verwandelt DSD sofort in ein Multi-Bit Signal, welches durch eine erneute ΔΣ-Konvertierung verlustbehaftet wieder in ein 1-Bit-Signal gewandelt werden muss (sofern gewünscht), wobei das Quantisierungsrauschen oberhalb von 20 kHz stark ansteigt. Nach vier oder fünf Operationen dieser Art tritt durch die immer wieder erforderliche Requantisierung mit Noise shaping durch die Akkumulation des hochfrequenten Quantsierungsmülls Übersteuerung auf, selbst wenn Stille als Eingangssignal anliegt!

Um trotzdem den (vermeintlichen) Vorteil aufrecht erhalten zu können, auf der AD-Seite ohne den für Multibit-PCM erforderlichen Dezimationstiefpass auszukommen, schlug das Konsortium „DSD-wide“ als Aufzeichnungs- und Verarbeitungsformat auf den DAWs vor. Der Name ist allerdings irreführend, denn tatsächlich handelt es sich um ein normales 8-Bit PCM-Signal mit 64× Standard-Abtastrate (weshalb es von profilierten Kritikern wie dem Kanadier Stanley Lipshitz gerne despektierlich und durchaus zutreffend „PCM-narrow“ genannt wird).

Im Gegensatz zu „echten“ DSD wie auch PWM-Signalen lässt es sich eben nicht direkt auf einen analogen Tiefpass geben und auf diese Weise hörbar machen, sondern es benötigt wie jedes PCM-Signal eine Wordclock, welche das MSB (most significant Bit) eines jeden Datenwortes markiert. Wegen der schmalen Wortbreite von nur 8-Bit muss nach jeder Signalverarbeitungsstufe außerdem immer noch eine Requantisierung mit Noise shaping durchgeführt werden, wobei durch den um 48 dB gestiegenen Headroom nun aber nicht mehr so schnell Übersteuerung auftritt.

24 Bit PCM übertrifft bereits SACD

Viel günstiger ist in dieser Hinsicht das superhochaufgelöste 24 oder 32-Bit PCM bei 352,8 kHz, welches auf einigen DAWs (zum Beispiel von Merging Technologies) für die SACD-Produktion eingesetzt wird. Allerdings ist das erheblicher Overkill, denn schon die Archivierung mit 24 Bit Wortbreite ab 88,2 kHz Abtastrate ist für die praktisch verlustfreie Bearbeitung von Material, welches auf SACD erscheinen soll, völlig ausreichend. Die theoretisch erreichbare Qualität der SACD liegt nämlich ungefähr auf dem Level von 20 Bit PCM bei 88,2 kHz. Die Protagonisten Sony/Philips behaupten zwar, im Gegensatz zu den „normalen“ Mulitbit PCM-Formaten der konkurrierenden DVD-A würde sich der Frequenzgang auf etliche 100 kHz erstrecken und deshalb eine mit PCM unerreichbare Impulstreue ermöglichen.

Davon hat man aber nichts, denn oberhalb von 20 kHz steigt das Rauschen steil an und erreicht schon bei 70 kHz ein astronomisch hohes Niveau, welches in der Summe sogar deutlich höher liegt als ein vollausgesteuertes Sinussignal.Es muss deshalb hinter dem DAC Converter unbedingt weggefiltert werden (durch Tiefpässe mit einer Grenzfrequenz, die zwischen 30 und 70 kHz variieren kann), da es durch Intermodulation in den nachfolgenden Stufen zur Verschlechterung des SNR im Audiobereich führen würde. Außerdem könnte es Hochtöner unhörbar durchbrennen lassen, sofern nicht eh der HF-Schutz der speisenden Endstufe greifen und dem Spuk ein Ende bereiten würde.

Durch den unverzichtbaren Tiefpass ist das Bandbreiten-Argument ad absurdum geführt. 88,2 kHz PCM bietet eine eben so und 192 kHz eine mehr als doppelt so hohe Bandbreite – ohne hochfrequenten Quantisierungsmüll mitschleppen zu müssen. Mit üblicherweise 24 Bit ermöglichen diese beiden linearen PCM-Formate aber ohne weiteres Zutun schon einen mehr als 20 dB höheren Dynamikumfang im Audiobereich – ohne dass der Noisefloor ab 20 kHz ansteigt.

Das weit verbreitete 24 Bit/96 kHz Format, welches heutzutage von allen Audio-Interfaces geboten wird, belegt trotz gut 20 dB geringerem Noise floor, der zudem bis zur Nyquistfrequenz 48 kHz auf konstant niedrigem Level bleibt, fast 20% weniger Speicherplatz als DSD. Das liegt daran, dass DSD mit einer enormen Menge an informations- und nutzlosem Quantisierungsmüll befrachtet ist, der bei den PCM-Formaten sinnvollerweise ausgefiltert wird. Werden nun für die dafür zuständigen Filter auch noch alias- und ripple-freie kausale Designs mit „schlapper“ Filterflanke eingesetzt, so werden sämtliche Argumente der PCM-Kritiker außer Kraft gesetzt.

Noise dsd64

Rauscht viel weniger und belegt auch noch 20% weniger Speicherplatz: 24 bit / 96 kHz bietet einen erheblich höheren Dynamikumfang als DSD64 für die SACD. Der Grund liegt im tosenden Quantisierungsrauschen, welches auf der SACD unsinnigerweise verewigt wird und in welchem schwache Ultraschall-Oberwellen des Nutzsignals Gefahr laufen, sang- und klanglos unterzugehen.

Inband Noise-shaping

24 Bit PCM bietet mit über 140 dB bereits bei Standard-Abtastrate einen Dynamikumfang, der den unseres Gehörsinns übersteigt und selbst von den besten monolithischen Audio-ADCs bei weiten nicht erreicht wird. Nur Arrangements mit mehreren Convertern, die das Signal mit unterschiedlichen Verstärkungen zugespielt bekommen und per DSP das momentan bestgewandelte heraus fischen, sind dazu in der Lage.

dual range AD-D

Nur mit aufwändigen Schaltungen aus zweien oder mehreren ADCs und DSP-Nachverarbeitung lässt sich der ungeheure Dynamikumfang von 24 Bit Audio tatsächlich ausschöpfen

Beim immerhin schon über 30 Jahre alten CD-Standard mit 16 Bit bei 44,1 kHz erreicht ein korrekt gedithertes (und damit auch bei geringen Pegeln verzerrungsfreies Signal) hingegen „nur“ einen Dynamikumfang, der sich heutzutage mühelos mit winzigen Codecs (DAC Converter und DAC in einem IC) erzielen lässt, die zum Bruchteil eines Euros millionenfach in Mobilgeräten verbaut sind. Ein halbwegs brauchbares AD/DA–Frontend mit 24-Bit-Wandlern für das eigene Heimstudio erzielt hingegen bereits einen Dynamikumfang im Bereich von 110 – 120 dB.

Delta sigma noise shaper

Machen im Prinzip das gleiche und sind ineinander überführbar: ΔΣ-Modulatoren (hier als rein digitale Variante ohne DAC) und Noise Shaper requantisieren ein hochaufgelöstes Eingangssignal in ein Ausgangssignal mit weniger Bits (im Grenzfall einem einzigen). Der dabei entstehende unvermeidliche Quantisierungsfehler wird durch Hinzufügung von Dither in weißes Rauschen umgewandelt. Dieses wiederum wird durch ein Filter im Rückkopplungszweig (welches im einfachsten Fall eine Verzögerung um einen Abtastwert darstellen kann) spektral „geformt“, also gefärbt. Durch diese Technologie werden überhaupt erst Converter möglich, die mit nur 1 Bit deutlich über 100 dB Dynamikumfang erzielen. Steht am Ausgang nur Standardabtastrate zur Verfügung, zum Beispiel beim redbook-kompatiblen Mastern auf das CD-Format, so lässt sich das Quantisierungsrauschen per Inband Noise Shaping in Bereiche geringer Hörempfindlichkeit (oberhalb von 15 kHz) konzentrieren.

 

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