D / A-Wandler
Fahren wir mit DAC fort: Digital-Analog-Wandler. Dieses komplexe Thema ist immer mit einem Schleier der Geheimhaltung bedeckt und voller audiophiler Mystik.
Darüber hinaus gibt es viele Spekulationen von gegnerischen Lagern um Digital-Analog-Wandler: Vermarkter, Audiophile und Skeptiker. Lassen Sie uns herausfinden, wo das Problem liegt.
Multibit-DAC
Zu Beginn, als das Audio-CD-Format zum ersten Mal erschien, wurde PCM unter Verwendung von Mehrbit-DACs in ein analoges Signal umgewandelt. Sie wurden auf Basis einer Widerstandsmatrix mit konstanter Impedanz, der sogenannten R-2R-Matrix, aufgebaut.
Vereinfachte Mehrbit-DAC-Schaltung
Vereinfachte Mehrbit-DAC-Schaltung
Multi-Bit-DACs funktionieren folgendermaßen: Der PCM-Stream wird in zwei Kanäle aufgeteilt, links und rechts, und von seriell zu parallel konvertiert, beispielsweise durch Schieberegister. Daten vom rechten Kanal werden in den Puffer eines Registers und Daten vom linken Kanal in den Puffer des anderen Registers geschrieben. Daten werden gleichzeitig über parallele Ports mit einer bestimmten Abtastrate (meistens 44,1 kHz) übertragen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Nur die parallelen Ausgänge sind nicht acht, sondern sechzehn, da die Bitbreite 16 Bit beträgt. Abhängig von der Position im Rahmen treffen die hohen und niedrigen Bits auf unterschiedliche Widerstände entlang des Weges des elektrischen Stroms, da die Anzahl der in Reihe geschalteten Widerstände unterschiedlich ist. Je älter das Gebiss, desto wichtiger ist es.
Multi-Bit- oder Multi-Bit-DACs erfordern sehr hochwertige Komponenten und eine präzise Widerstandseinstellung, da sich Ungenauigkeiten bei den Komponentenbewertungen summieren. Dies führt zu schwerwiegenden Abweichungen von der ursprünglichen Wellenform und führt zu einem mehrstelligen Quantisierungsfehler.
In Multi-Bit-DACs aus den achtziger Jahren gibt es keine PCM-Manipulation. Die Multibits sind direkt mit dem I2S-Bus verbunden und geben das PCM unverändert wieder: Die Daten vom rechten Kanal (16 Bit) sind eingetroffen, sie haben auf die Daten vom zweiten Kanal (16 Bit) gewartet, sie haben beide Kanäle an die Widerstandsmatrix gesendet. und so weiter mit einer Frequenz von 44,1 kHz.
In den achtziger Jahren wurden die Frequenz und die Bittiefe durch das CDDA-Format bestimmt, das fast zu einer Referenzimplementierung des Satzes von Kotelnikov wurde. Mit einigen Vorbehalten kann so der spätere MP3 charakterisiert werden. Nur vom DVD-Audio-Format wurde der Ansatz zur Digitalisierung und Tonwiedergabe überarbeitet.
So funktionierten die ersten einfacheren DACs, dann begannen sie, Konverter mit einem komplexeren Gerät zu verwenden. Die Schaltung wurde modernisiert, die Komponentenqualität verbessert und die Multi-Bit-DAC-Oversampling-Technologie wurde ebenfalls verwendet. Überabtastung ist die Überabtastung eines digitalen Stroms mit Aufwärtsabtastung und Quantisierungsbittiefe, um das Quantisierungsrauschen zu reduzieren.
Um zu erklären, warum Oversampling verwendet wird, muss über die Anwendung des Kotelnikov-Theorems in der Praxis gesprochen werden. Nicht alles hier ist so optimistisch, wie es in der Welt der Mathematik scheint; es geht nicht um etwas “genaues”, wie es im Satz geschrieben steht.
Kotelnikovs Theorem
“Jede Funktion F (t), die aus Frequenzen von 0 bis 1 besteht, kann kontinuierlich mit jeder Genauigkeit unter Verwendung von Zahlen übertragen werden, die in 1 / (2f 1) Sekunden auftreten.”
Folgen des Satzes von Kotelnikov:
Jedes analoge Signal kann mit beliebiger Genauigkeit aus seinen diskreten Abtastwerten rekonstruiert werden, die mit einer Frequenz f> 2fc aufgenommen wurden, wobei fc die maximale Frequenz ist, die durch das Spektrum des realen Signals begrenzt ist;
Wenn die maximale Frequenz im Signal gleich oder größer als die Hälfte der Abtastfrequenz ist (Aliasing), gibt es keine Möglichkeit, das Signal ohne Verzerrung von diskret nach analog wiederherzustellen.
Wenn Sie sich für Details interessieren, können Sie die Hauptquelle konsultieren – die Arbeit “Über die Bandbreite von” Äther “und Kabel in der Telekommunikation” von V. A. Kotelnikov (PDF).
Schwierigkeiten mit dem Satz von Kotelnikov
Kotelnikovs Theorem wird oft zu wörtlich genommen und zum Absoluten erhoben. Wie viele Artikel von überzeugten Skeptikern habe ich über die wunderbaren MP3- und CDDA-Formate und die verrückten Audiophilen gelesen, die ihre unnötigen DVD-Audios und DSDs an alle verkaufen! Ihr Hauptargument ist natürlich der Satz von Kotelnikov.
Zunächst reicht die Nyquist-Frequenz in der Praxis nicht aus, um eine genaue Wellenform zu übertragen. Aufgrund unvollständiger Bedingungen treten unweigerlich Geräusche und Verzerrungen auf: Quantisierungsrauschen beim Aufzeichnen eines Audiosignals, Rundungsrauschen während der Verarbeitung und Wiedergabe und mehr.