Tag: Top-A / D-Wandler

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Lärm – Teil 4

Zusammenfassend und vereinfacht geschieht Folgendes. Ein PCM-Datenstrom wird über den I2S-Anschluss dem DAC-Eingang zugeführt, Oversampling wird hinzugefügt, Dithering, und dann wird der Strom an einen Rauschformungsdecoder gesendet. Am Ende wird ein Ein-Bit-Strom gebildet, der durch ein analoges Tiefpassfilter läuft, wo das endgültige Audiosignal, das wir hören, bereits erhalten wird.

Ein Multi-Bit-DAC ist komplexer: Zusätzlich zu den oben genannten verwendet er auch die DEM-Technologie.

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Wenn Sie die Details verstehen möchten, lesen Sie bitte die Materialien in den Links. Es gibt Informationen nicht nur über Sigma-Delta-DAC, sondern auch über Sigma-Delta-ADC.

Artikel zur Delta-Sigma-Modulation auf microsin.net
Anmerkungen aus E. I. Vologdins Vortrag über Sigma-Delta-Modulation
Moderne Digital-Analog-Wandler sind komplexe Geräte. Die Verwendung dieser Technologien ist jedoch erforderlich, um den Dynamikbereich künstlich zu erweitern, und sie werden im Allgemeinen verwendet, um die Einschränkungen der CDDA- und MP3-Formate zu überwinden. Wenn die Aufzeichnungen ursprünglich in hochauflösendem PCM (192 × 24) oder besser im DSD-Format veröffentlicht würden, gäbe es nicht so viele Technologien und komplexe digitale Transformationen. Bei DSD ist eine Störung des quantisierten Signals zumindest während der Wiedergabe überhaupt nicht erforderlich.

Fazit
Die Entwicklung der Aufnahme und Wiedergabe im digitalen Zeitalter war herausfordernd und mühsam. Mit der Erfindung der CD hörte analoges Audio in nur wenigen Jahrzehnten praktisch auf zu existieren. Gut oder schlecht: Jeder entscheidet für sich selbst, aber ich möchte die Möglichkeit, zu bleiben. Wenn es nicht zwischen digital und analog liegt, zumindest wie und mit welcher Qualität Sie Ihre Lieblingsmusik hören können. Leider gibt es jetzt kaum noch eine andere Option. Abgesehen von Crawler-Enthusiasten veröffentlichen heutzutage nur wenige Leute hochauflösende Musik. Der einzige Fehler hierfür sind die Aufnahmestudios, die beschlossen haben, sich auf ein einziges Format zu beschränken: CDDA.

Alles was übrig bleibt ist mit den Musikern zu sympathisieren! Wie viel Mühe und Zeit sie in das Erstellen von Musik investieren, aber ihre Arbeit ist nicht einmal in anständiger Qualität erhalten. Die Lösung wäre, auf dem Masterband oder zumindest auf DSD aufzunehmen. Die Aufnahmestudios verschwenden jedoch keinen zusätzlichen Aufwand, da sie mit der aktuellen Situation (PDM) zufrieden sind.

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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.

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.