Category: Audio

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Lärm – Teil 3

Zusätzlich zu den betrachteten werden andere Technologien sowie deren Kombinationen und Variationen verwendet.

Hersteller experimentieren besonders gerne mit digitalen Filtern und Modulatoren und erfinden immer mehr digitale Filter, die das Signal sowohl zum Guten als auch zum Schlechten beeinflussen. Moderne digitale DAC-Signalverarbeitungsalgorithmen sind häufig komplex und umfassen alle oben genannten sowie die eigenen Entwicklungen der Hersteller. Natürlich veröffentlichen Hersteller keine Algorithmen für Filter und Modulatoren. bestenfalls liefern sie ein grobes Blockdiagramm. Es bleibt daher nur anzunehmen, was tatsächlich mit dem Audiosignal in dem einen oder anderen Digital-Analog-Wandler passiert.

Sigma Delta Konverter
Sigma-Delta-Digital-Analog-Wandler haben sich neben Multi-Bit-DACs weiterentwickelt. Die Basis wurde, wie der Name schon sagt, als Sigma-Delta-Modulation bezeichnet. In der Literatur wird sie üblicherweise mit der Abkürzung SDM bezeichnet. Bei der Sigma-Delta-Modulation wird der Absolutwert der Signalamplitude nicht wie bei Mehrbit-DACs pro Zeiteinheit übertragen, sondern das Signal ändert sich vom vorherigen Wert. Wenn also die Amplitude zunimmt, wird 1 übertragen und wenn sie fällt – 0. Ein ähnliches Prinzip wurde bereits im Abschnitt über DSD beschrieben.

Frühe Sigma-Delta-DACs waren vollständig 1-Bit, aber aufgrund der hohen Abtastrate lieferten sie einen Dynamikbereich von ungefähr 129 dB. Die Abtastfrequenz beträgt 44,1 kHz. Die gewählte Frequenz sparte wahrscheinlich Hardwareressourcen aufgrund der Vereinfachung der Berechnungen während der Interpolation.

Zu Beginn wurde eine Frequenz von 2,8 MHz verwendet, dies sind 44,1 kHz, 64-fach erhöht. Jetzt kann die Frequenz unterschiedlich sein, sie wird durch die interne Architektur des DAC selbst bestimmt. Es basiert im Allgemeinen auf Frequenzgittern in Vielfachen von 44,1 kHz und 48 kHz mit einem Multiplikator von 64, 128, 256, 512, 1024.

Im Laufe der Zeit haben Delta-Sigma-DACs Multibit einfach aus wirtschaftlichen Gründen fast vollständig verdrängt. Erstens sind die Anforderungen an die Qualität und Präzision der Komponenten viel niedriger als bei Mehrbit-DACs, und folglich ist der Selbstkostenpreis niedriger. Zweitens waren in den 1980er und 1990er Jahren die Kosten für die Implementierung von Interpolation und Rauschformung für einen Ein-Bit-Modulator erheblich geringer als für 16-Bit. Mit der Entwicklung der Technologie ist dies nicht so kritisch, und viele Sigma-Delta-DACs wie Multibits haben mehrere Ausgabeebenen. Aufgrund der mehrfachen Frequenzerhöhung sind die Anforderungen an die Komponenten jedoch noch nicht sehr hoch, so dass der erste Vorteil bis heute anhält.

Moderne Sigma-Delta-DACs sind komplex und umfassen fast alle im vorherigen Kapitel aufgeführten Technologien. Ich werde ein Beispiel für die interne Struktur eines der einfachen Sigma-Delta-DACs aus den Vologdin-Vorlesungen geben.

Eingabene digitale 16-Bit-Abtastwerte mit einer Abtastfrequenz von 44,1 kHz werden in das digitale Überabtastungsfilter eingespeist. Das Schema verwendet ein nicht rekursives Vierfach-Oversampling-FIR-Interpolationsfilter (Finite Impulse Response) mit einer linearen Phasenantwort. In der ersten Modulationsstufe wird infolge der Requantisierung die Anzahl der Bits in den Abtastwerten von 16 auf 14 reduziert und SDM erster Ordnung verwendet. Dann wird ein weiteres Resampling in zwei Schritten durchgeführt (Kos = 32 und 2). Auf dem Weg zwischen diesen Stufen wird ein Rauschsignal eingeführt, das die “Dithering” -Operation mit einem Rauschpegel von minus 20 dB ausführt. Es reduziert die Nichtlinearität der Übertragungsfunktion aufgrund von Quantisierungsfehlern. Der Gesamtüberabtastungsfaktor beträgt 256 und die Abtastfrequenz steigt auf 11,29 MHz. In der zweiten Modulationsstufe wird SDM zweiter Ordnung verwendet und ein digitaler Ein-Bit-Strom wird gebildet. Der DAC-Ausgang ist mit einem digitalen Zeitimpulsmodulator verbunden, der die digitalen Daten in eine dichtemodulierte Impulsfolge (PDM) umwandelt.

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Lärm – Teil 3

Audio aufnehmen

Um das Audiosignal aufzunehmen und zu mischen, haben sie begonnen, Dezimierung zu verwenden. Dies ist der umgekehrte Prozess, Überabtastung mit Downsampling und Quantisierungsbittiefe. Das Signal wird mit einer hohen Abtastrate und Quantisierungsbittiefe aufgezeichnet, beispielsweise 176,4 oder 192 kHz mit einer 24-Bit-Bittiefe, und das Entfernen einiger Abtastwerte unter Verwendung eines digitalen Filters wird auf den CDDA-Standard “komprimiert” – 44,1 kHz, 16 Bits. Dieser Ansatz kann das Quantisierungsrauschen geringfügig reduzieren.

Unten sehen Sie eine Darstellung des Algorithmus zum Dezimieren eines diskreten Signals mit einem Faktor von 2. Rote Punkte zeigen Abtastwerte an, durchgezogene Linien – ein kontinuierliches Signal, das diese Abtastwerte darstellt. Oben ist das ursprüngliche Signal. In der Mitte das gleiche Signal nach dem Filtern auf einem digitalen Tiefpassfilter. Unten ist das dezimierte Signal.

Zittern
Dithering (Dithering) – Eine Methode zum Mischen von pseudozufälligem Rauschen beim Digitalisieren oder Abspielen eines Tonsignals. Diese Technologie hat zwei Zwecke:

Linearisierung der Quantisierer / Requantizer-Übertragungsfunktion;
Dekorrelation von Quantisierungsfehlern.
Quantisierungsrauschen hat eine Korrelation, dh eine Beziehung zum Hauptsignal. Dies erzeugt parasitäre Harmonische, die der Wellenform folgen. Sie beeinflussen die Wahrnehmung und erzeugen einen “diffusen” Klang. Die Korrelation kann durch Hinzufügen von speziell gemustertem Rauschen zum Hauptsignal entfernt werden, wodurch das korrelierte Quantisierungsrauschen in gewöhnliches weißes Rauschen umgewandelt wird. Dies erhöht den Gesamtgeräuschpegel etwas, ist aber gut für die Wahrnehmung.

Dithering im Bildverarbeitungsbeispiel: vorher und nachher
Dithering im Bildverarbeitungsbeispiel: vorher und nachher
Rauschmodellierung
Die Noise Shaping (NS) -Technologie kann das während der Quantisierung, des erneuten Einschlusses und des Ditherings verursachte Rauschen erheblich reduzieren.

Die Rauschmodellierung funktioniert folgendermaßen: Das quantisierte Signal am Eingang wird mit dem Signal am Ausgang des Anforderers verglichen, es entsteht eine Differenz (Fehler), die vom Hauptsignal abgezogen wird. Dies kompensiert Verzerrungen, die vom Anforderer und während des Dithering-Prozesses verursacht werden. Es wird eine sogenannte Rückkopplung gebildet, die versucht, den Fehler in der Ein- und Ausgabe des Anforderers zu kompensieren. Diese Technologie funktioniert wie eine negative Rückkopplung in einem Operationsverstärker, außer dass alle Konvertierungen digital erfolgen.

Hier ist ein Diagramm eines Anforderers erster Ordnung, aber in der Regel werden Anforderer bis zur Bestellung 9-12 verwendet.
Hier ist ein Diagramm eines Anforderers erster Ordnung, aber in der Regel werden Anforderer bis zur Bestellung 9-12 verwendet.
Diese Technologie hat ihre Nachteile. Die Verwendung von NS führt zu einer großen Menge an Rauschen im Hochfrequenzbereich, was die Anwendung eines Tiefpassfilters mit einer Grenzfrequenz nahe der oberen Grenzfrequenz erforderlich macht. In der Praxis wird neben NS auch immer Dithering angewendet, das Ergebnis ihrer gemeinsamen Arbeit ist nach Gehör viel besser.

Dynamischer Artikelabgleich
Dynamic Element Matching (DEM) ist eine Technologie, die verschiedene Signalpegel am DAC-Ausgang erzeugt. Es sieht aus wie eine Kreuzung zwischen einem Einzelbit- und einem Mehrbit-DAC. DEM wird verwendet, um deterministische Fehler bei Verwendung der Sigma-Delta-Modulation (SDM) zu reduzieren. Diese Fehler korrelieren wie das Quantisierungsrauschen stark mit dem Signal am Ein-Bit-Modulatorausgang und beeinflussen daher die Wahrnehmung des Audiosignals erheblich.

Diese Technologie reduziert auch die Anforderungen an das analoge Filter, da die Wellenform bereits vor dem Filtern nahe an der reproduzierten Wellenform liegt. DEM wird mit mehreren Pins implementiert, die an einen gemeinsamen Bus angeschlossen sind und das Ausgangssignal des DAC bilden.

Lärm – Teil 2

Auch arme Toningenieure lieben es, alles mit Begrenzern und Kompressoren zu schütteln und zu nivellieren, deren Prinzip auf der Reduzierung des Dynamikbereichs beruht.

Fast alle Proben durchlaufen all diese Folter. Selbst bei Verwendung eines einfachen EQ durchläuft das Signal ein digitales Filter, das ein Rundungsrauschen um mindestens einen halben Quantisierungsschritt einführt. Während des endgültigen Mischens werden alle Proben in einer Sequenz gesammelt, wobei das Rauschen von jedem zum Rauschen von einem anderen Resampling addiert wird. Aber das ist noch nicht alles: Während der Wiedergabe fügt der DAC sein eigenes Rauschen und Rundungsgeräusch hinzu. Können Sie sich vorstellen, was wirklich von dem nützlichen Signal übrig bleibt?

Lärmschutztechniken
Um dieser unglücklichen Situation abzuhelfen, wurden spezielle Geräuschreduzierungstechnologien entwickelt. Lassen Sie uns die grundlegendsten sehen.

Überabtastung
Die Oversampling-Technologie wird seit den Tagen der Multi-Bit-DACs verwendet, um durch Rauschen verursachte Verluste zu kompensieren. Das Prinzip der Überabtastung besteht darin, dass Zwischenabtastungen zu vorhandenen diskreten Abtastwerten hinzugefügt werden, wobei die ungefähre Wellenform wiederholt wird. Zwischenproben werden durch mathematische Interpolation berechnet oder mit Nullwerten gefüllt und an ein digitales Filter übertragen. Im Allgemeinen werden beide Ansätze als Interpolation und das digitale Filter als Interpolation bezeichnet. Das einfachste Interpolationsverfahren ist die lineare Interpolation, und das einfachste digitale Filter kann ein Tiefpassfilter sein.

Unten sehen Sie eine Darstellung eines Interpolationsalgorithmus für ein diskretes Signal mit dem Faktor 2. Rote Punkte zeigen die ursprünglichen Signalabtastwerte an, durchgezogene Linien – ein kontinuierliches Signal, das diese Abtastwerte darstellt. Oben ist das ursprüngliche Signal. In der Mitte befindet sich das gleiche Signal mit eingefügten Nullzählungen (grüne Punkte). Unten: interpoliertes Signal (blaue Punkte: interpolierte Abtastwerte).

Zunächst verwendeten sie nur Oversampling mit einer Frequenzerhöhung, beispielsweise von 44,1 auf 176,4 kHz. Anschließend wurde eine Überabtastung mit einer Erhöhung der Abtastfrequenz und einer Erhöhung der Quantisierungsbittiefe verwendet; Dieser Vorgang wird als Widerruf bezeichnet.

Überabtastung führt zwar zu Rundungsrauschen, verringert jedoch auch die Gesamtrauschdichte durch Erweiterung des Dynamikbereichs des Signals, und die Nachbearbeitung des Signals hat weniger Auswirkungen. Jede Verdoppelung der Abtastrate erweitert den Dynamikbereich um ungefähr einen Quantisierungsschritt (6 dB) abzüglich des Rundungsrauschens.

Um Oversampling verwenden zu können, wurden Multibit-DAC-Chips hergestellt, die bis zu 192 x 24 digitale Streams am Eingang unterstützen. Es erschienen auch Hardware-Upsampler auf Basis von DSP (Digital Signal Processor).

Natürlich hat die Verwendung der Oversampling-Technologie die Eigenschaften des Audiosignals verbessert, aber die Situation hat sich nicht drastisch geändert: Der Rauschpegel blieb hoch. Daher wurden andere Technologien angewendet.

Geräusche

Es gibt viele Arten von Rauschen, die die Aufnahme beeinflussen können. Dies sind die wichtigsten: Quantisierungsrauschen, Rundungsrauschen, Aperturjitter, harmonische Verzerrung, analoges Rauschen.

Sie können sich mit den Beschreibungen der vier Arten von Rauschen und den Formeln vertraut machen, um ungefähr zu verstehen, wie viel Verzerrung jeder Typ in ein digitalisiertes Signal einführt.

Nehmen Sie den Begriff “Rauschen” nicht als Manifestation des bekannten “weißen Rauschens”. Verschiedene Arten von Rauschen werden unterschiedlich wahrgenommen. In diesem Zusammenhang sollte der Begriff “Rauschen” eher als Verlust eines Teils des Nutzsignals verstanden werden.

Es ist immer noch möglich, eine Art von Rauschen separat grob zu berechnen, aber der Gesamtrauschpegel während der Digitalisierung ist kaum. Dies ist ein sehr komplexes mathematisches Modell mit vielen Annahmen. Versuchen wir, vom Gegenteil auszugehen und den Dynamikbereich des im ADC (Analog-Digital-Wandler) aufgezeichneten Signals zu analysieren und mit dem zu vergleichen, was theoretisch möglich ist.

Der Rauschpegel wird im Allgemeinen in Bezug auf den Quantisierungsschritt (ein Bit) oder den Dynamikbereich des Audiosignals berechnet. Der Dynamikbereich wird in Dezibel gemessen und kann nach folgender Formel berechnet werden: DR = 20 lg (2 N), wobei N das Quantisierungsbit ist. Es stellt sich heraus, dass für 16 Bit der mögliche Dynamikbereich etwa 96 dB und für 24 Bit etwa 144 dB beträgt.

Ich werde die Ergebnisse des Testens des ADC “Lynx Studio Hilo TB” nehmen, dies ist ein Studio-ADC / DAC der höchsten Preiskategorie. Es zeigte die folgenden Ergebnisse.

ARBEITSZEITEN 24 BITS, 44 KHz
Dynamikbereich, dB (A) 119,3 Fein
Und hier sind die Ergebnisse ohne Verstärkung.

ARBEITSZEITEN 24 BITS, 44 KHz
Dynamikbereich, dB (A) 112,6 Fein
Mit Blick auf die Zukunft werde ich sagen, dass der getestete ADC Dithering-, Noise Shaping- und Dezimierungstechnologien verwendet, die einen erweiterten Dynamikbereich und einen reduzierten Geräuschpegel ermöglichen. Ich werde Ihnen im nächsten Absatz mehr über diese Technologien erzählen.

Nun schätzen wir: 24 Bit entsprechen 144 dB; Dies ist der mögliche Dynamikbereich. Wir subtrahieren den tatsächlichen Dynamikbereich von 119 dB von 144 dB, der Geräuschverlust beträgt bestenfalls 25 dB und im schlimmsten Fall 32 dB. Leider wurde es nicht mit 16 Bit getestet, aber in Bezug auf das Verhältnis sollten die Ergebnisse noch schlechter sein, da eine Verringerung der Bittiefe zwangsläufig zu einem erhöhten Rauschen führt. Es stellt sich heraus, dass etwa 1/5 des Signals einfach durch Rauschen verloren geht.

Das Bild ist alles andere als rosig. Und wenn Sie tiefer graben und überlegen, wie der Ton im Aufnahmestudio gemischt wird, wird es unangenehm. In der Regel werden fertige Arbeiten aus Proben gemischt, bei denen die angegebenen Geräusche bereits vorhanden sind, da die Proben auf einem ähnlichen ADC aufgezeichnet werden. Dann werden Effekte hinzugefügt, die zumindest zu Resampling und damit verbundenen Rundungsfehlern führen.