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Der Beginn des digitalen Zeitalters

Binärcode

Obwohl digitales Audio heutzutage der Standard für Musik ist …

Das war nicht immer so.

Musik existierte ursprünglich nur in Form von Schallwellen.

Mit der Entwicklung der Technologie wurden dann Möglichkeiten entdeckt, sie in andere Formate umzuwandeln, wie z.

Notenschrift
elektrische Signale in Kabeln
Radiowellen in der Atmosphäre
Anfrage auf Schallplatte
In jüngerer Zeit, im Computerzeitalter, wurde digitales Audio zum Hauptaufnahmeformat, wodurch das Kopieren und Übertragen von Songs einfach ist.

Das Gerät, das dies ermöglicht hat, heißt … Digitalkonverter.

Auch wie es funktioniert …

2. Digitalkonverter
In Aufnahmestudios gibt es digitale Konverter in zwei Versionen:

als eigenständiges Gerät in Top-Studios oder …
als Teil eines Audio-Interfaces in Heimstudios.
Um aus Ton Binärcode zu machen, benötigen sie Zehntausende von Bildern (Samples) pro Sekunde, um ein grobes Bild einer analogen Welle zu erstellen.

Dieses Bild ist nicht ganz genau, da der Konverter in den Momenten zwischen den Abtastungen raten muss, was passiert.

digitale Welle

Wie in der obigen Grafik zu sehen:

Die rote Linie zeigt ein analoges Signal und …
schwarze Linie zeigt Umwandlung …
Die Ergebnisse sind nicht ideal, aber ausreichend, um eine hervorragende Klangqualität zu erzielen.

Und der Unterschied hängt hauptsächlich von …

3. Abtastrate
Schauen Sie sich dieses Bild an:

Abtastratenschaltung

Wie man sieht …

Durch die Aufnahme von mehr Bildern pro Sekunde werden höhere Abtastraten erzielt:

Sammeln Sie mehr echte Informationen,
Verwenden Sie weniger Rätselraten,
Erstellt eine sauberere Anzeige aus einem analogen Signal
Und am Ende erhalten Sie die beste Klangqualität.

Lassen Sie uns nun über bestimmte Zahlen sprechen:

Standard-Sampleraten für professionelles Audio:

44,1 kHz (CD)
48 kHz
88,2 kHz
96 kHz
192 kHz
44,1 kHz ist die minimale Abtastrate aufgrund eines mathematischen Prinzips, das als …

Kotelnikovs Theorem (Nyquist-Shannon)
Um digitales Audio genau aufzuzeichnen, müssen Konverter das gesamte Spektrum des menschlichen Gehörs zwischen 20 Hz und 20 kHz erfassen.

Nach dem Satz von Kotelnikov …

Das Erfassen einer bestimmten Frequenz erfordert mindestens 2 Abtastwerte pro Zyklus … um sowohl den Hoch- als auch den Tiefpunkt einer Welle zu messen.

Dies bedeutet, dass eine Abtastrate von 40 kHz oder mehr erforderlich ist, um Frequenzen bis zu 20 kHz aufzuzeichnen. Daher ist die Abtastfrequenz von CDs mit 44,1 kHz etwas höher.

Kotelnikovs Theorem

Nachteile einer hohen Abtastrate
Je höher die Abtastrate, desto höher die Klangqualität … aber das passiert einfach nicht.

Die Nachteile sind:

Benötigt viel Rechenleistung
Weniger Hinweise
Große Audiodateien
Dies ist also eine ständige Suche nach einem Kompromiss. Professionelle Studios finden es einfacher, mit hohen Abtastraten umzugehen, da sie über die beste Ausrüstung verfügen.

Für die meisten Heimstudios ist jedoch die Standard-Abtastrate von 48 kHz angemessen.

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Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio? Teil 5

DSD bietet gegenüber PCM erhebliche Vorteile:

genauer eine Welle zeichnen;
erhöhte Immunität gegen Lärm;
eine einfachere Möglichkeit, einen digitalen Stream zu ändern und zu übertragen;
Theoretisch ist es möglich, die Kosten durch Vereinfachung der DAC-Schaltungen zu senken. Aufgrund der Abwärtskompatibilität ist es jedoch unwahrscheinlich, dass Hersteller dies tun.
Ursprünglich verwendeten SACDs das DSD x64-Format mit einer Abtastrate von 2822,4 kHz. Die Audio-CD-Abtastrate von 44,1 kHz wurde als Basis genommen und 64-fach erhöht, daher der Name x64. Die folgenden DSDs werden derzeit verwendet:

x64 = 2822,4 kHz;
x128 = 5644,8 kHz;
x256 = 11.289,6 kHz;
x512 = 22.579,2 kHz;
deklariert DSD x1024.

DXD
Zwischen PCM und DSD gibt es ein bestimmtes Zwischenformat namens DXD – Digital eXtreme Definition. Dies ist in der Tat hochauflösendes PCM: 352,8 kHz oder 384 kHz mit 24- oder 32-Bit-Quantisierung. Es wird in Studien zur Verarbeitung und anschließenden Vermischung von Materialien verwendet.

Dieser Ansatz ist jedoch fehlerhaft: Erstens können Sie nicht alle Vorteile von DSD nutzen, und zweitens ist die Dateigröße größer als bei DSD. Derzeit akzeptieren Flaggschiff-DACs am I2S-Eingang einen PCM-Datenstrom mit einer Abtastrate von bis zu 768 kHz und einer Bittiefe von bis zu 32 Bit. Es ist beängstigend zu überlegen, wie viel Festplattenspeicher ein Album bei dieser Auflösung beansprucht.

DSD hat sich praktisch von SACD getrennt. Heutzutage ist das DSD-Format häufig in Dateien mit den Erweiterungen DSF und DFF enthalten. Viele Plattenspieler mit der Fähigkeit, in DSF und DFF aufzunehmen, wurden veröffentlicht. Liebhaber guten Klangs digitalisieren zunehmend Schallplatten im DSD-Format. Aber in Aufnahmestudios möchte niemand in unpopuläre Formate investieren, deshalb nieten sie den Sound weiterhin mit einem Mindestlohn: 44,1 × 16.

DSD-Umschaltung und Datenübertragung
Um eine digitale Übertragung an DSD zu übertragen, wird ein dreipoliges Verbindungsschema verwendet:

DSD Clock Pin (DCLK) – Synchronisation;
Dateneingangspin DSD Lch (DSDL) – Daten des linken Kanals;
Dateneingangspin DSD Rch (DSDR): Daten des rechten Kanals.

Im Gegensatz zu I2S ist die DSD-Datenübertragung extrem vereinfacht. DCLK stellt die Taktrate der Bitsynchronisation ein und die Daten des linken und rechten Kanals werden nacheinander über die DSDL- bzw. DSDR-Pins übertragen. Hier gibt es keine Anpassungen, Aufnahme und Wiedergabe in DSD erfolgt nach und nach. Dieser Ansatz liefert die engste Annäherung an das analoge Signal, und aufgrund der hohen Frequenz wird das Quantisierungsrauschen verringert und die Wiedergabegenauigkeit um eine Größenordnung erhöht.

PDO
DoP wird häufig zum Übertragen von DSD-Datenströmen verwendet, daher ist es erwähnenswert. DoP ist ein offener Standard für die Übertragung von DSD-Daten über PCM-Frames (DSD über PCM). Der Standard wurde erstellt, um einen Stream über Controller und Geräte zu übertragen, die kein direktes DSD-Streaming unterstützen (kein natives DSD).

Das Funktionsprinzip ist wie folgt: In einem 24-Bit-PCM-Rahmen sind die oberen 8 Bits mit Einsen aufgefüllt; Dies bedeutet, dass derzeit DSD-Daten übertragen werden. Die verbleibenden 16 Bits werden nacheinander mit DSD-Datenbits gefüllt.

Für die x64-DSD-Übertragung mit einer einzelnen Bitrate von 2822,4 kHz ist eine PCM-Abtastrate von 176,4 kHz (176,4 x 16 = 2822,4 kHz) erforderlich. Für die DSD x128-Übertragung bei 5644,8 kHz ist bereits eine PCM-Abtastrate von 352,8 kHz erforderlich.

Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio? Teil 4

Bei der Wiedergabe von PCM 44.1×16 werden die höchstwertigen Bits einfach ignoriert, da sie mit Nullen gefüllt sind, oder bei älteren Mehrbit-DACs können sie zum nächsten Frame wechseln. Die Länge des “Wortes” (WS) kann auch vom Player abhängen, über den die Musik abgespielt wird, sowie vom Treiber für das Wiedergabegerät.

Eine Alternative zu PCM und I2S wäre die Aufzeichnung des Audiosignals in DSD. Dieses Format wurde parallel zu PCM entwickelt, obwohl der Satz von Kotelnikov hier einen gewissen Einfluss hatte. Um die Klangqualität im Vergleich zu CDDA zu verbessern, lag der Schwerpunkt nicht auf der Erhöhung des Quantisierungsbits wie im DVD-Audioformat, sondern auf der Erhöhung der Abtastrate.

DSD
DSD steht für Direct Stream Digital. Es stammt jedoch aus den Labors von Sony und Philips, genau wie die anderen in diesem Artikel beschriebenen Formate.

SACD
DSD erblickte 2002 erstmals das Licht der Welt auf Super Audio-CDs.

Zu dieser Zeit sah SACD wie ein Meisterwerk der Technik aus und verwendete eine völlig neue Art der Aufnahme und Wiedergabe, ganz in der Nähe von analogen Geräten. Die Implementierung war einfach und elegant.

Die Medien waren sogar mit einem Kopierschutz ausgestattet, obwohl ohne diesen kein Pirat Angst hatte. Unter den Marken Sony und Philips begannen sie, “geschlossene” Geräte ausschließlich für die Wiedergabe zu produzieren, ohne dass die Möglichkeit bestand, Discs zu kopieren. Die Hersteller verkauften Aufnahmegeräte an Studios, behielten jedoch die Kontrolle über den SACD-Start.

Wer weiß, vielleicht könnte das SACD-Format eine vergleichbare Popularität wie Audio-CD erlangen, wenn nicht die Kosten für die Wiedergabegeräte wären. Durch den unangemessenen Ausverkauf der Player-Preise haben die führenden Unternehmen von Sony und Philips die Popularität ihres Formats beeinträchtigt. Und der nächste Fehler machte dem Verkauf von Spezialgeräten ein Ende. Um für die Sony PlayStation-Spielekonsole zu werben, haben die Sony-Ingenieure die Möglichkeit hinzugefügt, SACD darauf zu hören. Hacker hackten sofort die Set-Top-Box und begannen, SACD-Discs in ISO-Images zu kopieren, die auf eine normale DVD-Disc gebrannt und auf jedem anderen Player abgespielt werden können. andere haben einfach Titel herausgerissen, um sie auf einem Computer abzuspielen.

Plattenlabels sind auch gut: Entgegen den Erwartungen von Musikliebhabern haben sie das neue HD-Format nicht voll ausgenutzt. Die Studios nahmen keine Musik vom Masterband in DSD auf, sondern nahmen eine digitale Aufnahme in PCM auf, mischten und verarbeiteten alles in einer Reihe: Limiter, Kompressoren, geräuschformendes Dithering und verschiedene digitale Filter. Das Ergebnis war ein Klang, der so steril und trocken war, dass selbst CD-Audio viel besser hätte klingen können. Dadurch wurde das Vertrauen der Zuhörer in die SACD und gleichzeitig in die neuen Formate im Allgemeinen untergraben.

DIE INFO
Leider hält diese bösartige Praxis bei Schallplatten bis heute an: Studios drucken Vinyl von einer digitalen Aufnahme, selbst wenn sie die Aufnahme auf dem Masterband haben. Auf modernem Vinyl kann es also leicht 44,1 x 16 sein.

DSD
Was ist DSD? Dies ist ein Ein-Bit-Stream mit einer im Vergleich zu PCM sehr hohen Abtastrate. Außerdem verwendet DSD eine andere Art der Modulation, PDM (Pulse Density Modulation) – Pulsdichtemodulation. Die Tonaufnahme in diesem Format erfolgt über einen Ein-Bit-Analog-Digital-Wandler. Jetzt werden diese ADCs, die auf Sigma-Delta-Modulation basieren, überall verwendet. Der Aufzeichnungsprozess sieht folgendermaßen aus: Während die Amplitude der Welle zunimmt, ist der Ausgang des ADC eine logische Einheit. Wenn die Amplitude abfällt, ist der Ausgang eine logische Null, es kann keinen Durchschnittswert geben. Es wird mit dem vorherigen Wert der Wellenamplitude verglichen.

Wie funktioniert die Codierung in digitalem Audio? Teil 3

Die Struktur des digitalen Audiopfads.

Beim Abspielen von Musik geschieht Folgendes: Der Player dekomprimiert die Datei mithilfe eines Codecs, der in Form eines Geräts oder Programms erstellt wurde, in ein bestimmtes Format (FLAC, MP3 und andere) oder liest Daten von einer CD, DVD-Audio oder Disc-SACD, die einen Standard-PCM-Datenstrom empfängt … Dieser Strom wird dann über USB, LAN, S / PDIF, PCI usw. an den I2S-Konverter gesendet. Der Konverter wandelt die empfangenen Daten wiederum in sogenannte I2S-Datenschnittstellenrahmen um (nicht zu verwechseln mit I2C!).

I2S
I2S ist ein serieller Bus für die digitale Audioübertragung. Jetzt ist I2S ein Standard zum Anschließen einer Signalquelle (Computer, Plattenspieler) an einen Digital-Analog-Wandler. Dadurch verbindet sich die überwiegende Mehrheit des DAC direkt oder indirekt. Es gibt andere Standards für die digitale Audioübertragung, diese sind jedoch weitaus seltener.

I2S-Ausgang (Eingang) auf der Leiterplatte
I2S-Ausgang (Eingang) auf der Leiterplatte
Weitere Artikel in dieser Ausgabe:
Xakep # 256. Bekämpfe Linux
Probleminhalt
Abonnement für “Hacker”
Der I2S-Bus kann aus drei, vier oder sogar fünf Pins bestehen:

Continuous Serial Clock (SCK) – Bitsynchronisationstakt (kann als BCK oder BCLK bezeichnet werden);
Wortauswahl (WS) – Rahmensynchronisationstakt (kann als LRCK oder FSYNC bezeichnet werden);
Serielle Daten (SD): Das Signal der übertragenen Daten (kann als DATA, SDOUT oder SDATA bezeichnet werden). In der Regel werden Daten von einem Sender zu einem Empfänger übertragen, es gibt jedoch Geräte, die gleichzeitig als Empfänger und Sender fungieren können. In diesem Fall kann ein anderer Kontakt vorhanden sein;
Serielle Daten in (SDIN): An diesem Pin bewegen sich Daten in Empfangsrichtung und nicht in Senderichtung.
SD oder SDOUT wird zum Anschließen eines D / A-Wandlers und SDIN zum Anschließen eines A / D-Wandlers an den I2S-Bus verwendet.

In den meisten Fällen gibt es einen anderen Pin, den Haupttakt (MCLK oder MCK), mit dem Sender und Empfänger von demselben Takt synchronisiert werden, um die Übertragungsfehlerrate zu verringern. Für die externe Synchronisation von MCLK werden zwei Taktgeneratoren verwendet: mit einer Frequenz von 22.579 kHz und 24.576 kHz. Der erste Wert von 22.579 kHz gilt für Frequenzen mit einem Vielfachen von 44,1 kHz (88,2, 176,4, 352,8 kHz) und der zweite Wert von 24.576 kHz für Frequenzen mit einem Vielfachen von 48 kHz (96, 192, 384 kHz). Es kann auch Generatoren mit 45158,4 kHz und 49152 kHz geben; Sie haben wahrscheinlich schon bemerkt, dass sie in der Welt des digitalen Klangs gerne alles verdoppeln.

Rahmen oder I2S-Rahmen
In I2S werden notwendigerweise drei Kontakte verwendet: SCK, WS, SD; Alle anderen Kontakte sind optional.

Auf dem SCK-Kanal werden Synchronisationsimpulse übertragen, unter denen die Rahmen synchronisiert werden.

Die Länge des “Wortes” wird über den WS-Kanal übertragen und logische Zustände werden ebenfalls verwendet. Wenn der WS-Pin eine logische Einheit ist, werden die Daten des rechten Kanals übertragen, wenn er Null ist, die Daten des linken Kanals.

Die Datenbits werden über SD übertragen: Die Amplitudenwerte des Audiosignals während der Quantisierung sind die gleichen 16, 24 oder 32 Bits. Auf dem I2S-Bus werden keine Prüfsummen oder Servicekanäle bereitgestellt. Wenn die Daten während der Übertragung verloren gehen, können Sie sie nicht zurückerhalten.

Teure DACs verfügen häufig über externe Anschlüsse für den Anschluss an I2S. Die Verwendung solcher Stecker und Kabel kann sich negativ auf den Klang auswirken, selbst das Auftreten von “Artefakten” und Stottern. Alles hängt von der Qualität und Länge des Kabels ab. Dennoch ist I2S ein Plug-and-Play-Anschluss, und die Länge der Drähte vom Sender zum Empfänger sollte gegen Null tendieren.

Schauen wir uns an, wie der PCM-Datenstrom über den I2S-Bus übertragen wird. Wenn beispielsweise PCM 44,1 kHz mit 16 Bit übertragen wird, beträgt die Länge des Wortes auf dem SD-Kanal diese 16 Bit und die Länge des Rahmens 32 Bit (rechts + links). Meistens verwenden die Sender jedoch eine Wortlänge von 24 Bit.