Lawaai – Deel 4

Om samen te vatten en te vereenvoudigen, gebeurt zoiets als het volgende. Een PCM-gegevensstroom wordt naar de DAC-ingang gevoerd via de I2S-connector, overbemonstering wordt toegevoegd, dithering, en vervolgens wordt de stroom naar een noise shaping-decoder gestuurd. Aan het einde wordt een stroom van één bit gevormd, deze passeert een analoog laagdoorlaatfilter, waar het uiteindelijke audiosignaal dat we horen al wordt verkregen.

Een multi-bit DAC is complexer: naast het bovenstaande maakt het ook gebruik van DEM-technologie.

WWW
Als u de details wilt begrijpen, lees dan de materialen in de links, er is niet alleen informatie over sigma-delta-DAC, maar ook over sigma-delta-ADC.

Artikel over delta-sigma-modulatie op microsin.net
Aantekeningen uit de lezing van E. I. Vologdin over sigma-delta-modulatie
Moderne digitaal-naar-analoog converters zijn complexe apparaten. Maar het gebruik van deze technologieën is noodzakelijk om het dynamische bereik kunstmatig uit te breiden, en ze worden over het algemeen gebruikt om de beperkingen van CDDA- en MP3-formaten te overwinnen. Als de opnames oorspronkelijk waren gepubliceerd in PCM met hoge resolutie (192 × 24), of beter in DSD-indeling, zouden er niet zoveel technologieën en complexe digitale transformaties zijn. In het geval van DSD is interferentie met het gekwantiseerde signaal helemaal niet nodig, althans tijdens het afspelen.

Conclusie
De ontwikkeling van opnemen en afspelen in het digitale tijdperk was uitdagend en moeizaam. Met de uitvinding van de compact disc is analoge audio in slechts een paar decennia praktisch opgehouden te bestaan. Goed of slecht: iedereen beslist voor zichzelf, maar ik zou graag de mogelijkheid willen hebben om te blijven. Als het niet tussen digitaal en analoog is, in ieder geval hoe en met welke kwaliteit om naar je favoriete muziek te luisteren. Helaas is er nu nauwelijks een andere optie. Er zijn tegenwoordig maar weinig mensen die high definition-muziek uitbrengen, afgezien van crawler-enthousiastelingen. De enige fout hiervoor zijn de opnamestudio’s, die besloten zich te beperken tot één formaat: CDDA.

Het enige dat overblijft is sympathie voor de muzikanten! Hoeveel moeite en tijd steken ze in het maken van muziek, maar hun werk is niet eens van behoorlijke kwaliteit bewaard gebleven. De oplossing zou zijn om op de mastertape op te nemen of in ieder geval op DSD. Maar de opnamestudio’s zullen geen extra moeite verspillen, omdat ze tevreden zijn met de huidige situatie (PDM).

Lawaai – Deel 3

Naast de overwogen, worden andere technologieën gebruikt, evenals hun combinaties en variaties.

Fabrikanten houden vooral van experimenteren met digitale filters en modulatoren, waarbij ze steeds meer digitale filters uitvinden die het signaal zowel beter als slechter beïnvloeden. Moderne digitale DAC-signaalverwerkingsalgoritmen zijn vaak complex en omvatten al het bovenstaande, evenals de eigen ontwikkelingen van de fabrikant. Natuurlijk publiceren fabrikanten geen algoritmen voor filters en modulatoren; op zijn best geven ze een ruw blokdiagram. Daarom blijft het alleen maar aannemen wat er werkelijk gebeurt met het audiosignaal in een of andere digitaal-naar-analoog omzetter.

Sigma-delta-omvormers
Sigma-delta digitaal-naar-analoog converters zijn verder geëvolueerd van multi-bit DAC’s. De basis was, zoals de naam aangeeft, sigma-delta-modulatie, in de literatuur wordt het meestal aangeduid met de afkorting SDM. Bij sigma-deltamodulatie wordt de absolute waarde van de signaalamplitude niet per tijdseenheid verzonden, zoals bij multi-bit DAC’s, maar verandert het signaal ten opzichte van de vorige waarde. Dus als de amplitude toeneemt, wordt 1 verzonden en als deze daalt – 0. Een soortgelijk principe werd al beschreven in de sectie over DSD.

Vroege sigma-delta DAC’s waren volledig 1-bit, maar vanwege de hoge samplefrequentie leverden ze een dynamisch bereik van ongeveer 129 dB. De bemonsteringsfrequentie is 44,1 kHz. De gekozen frequentie heeft waarschijnlijk hardwarebronnen bespaard vanwege vereenvoudiging van berekeningen tijdens interpolatie.

In het begin werd een frequentie van 2,8 MHz gebruikt, dit is 44,1 kHz, 64 keer verhoogd. Nu kan de frequentie verschillen, deze wordt bepaald door de interne architectuur van de DAC zelf. Het is over het algemeen gebaseerd op frequentieroosters in veelvouden van 44,1 kHz en 48 kHz, met een multiplicator van 64, 128, 256, 512, 1024.

In de loop van de tijd hebben delta-sigma-DAC’s multibit bijna volledig verdrongen, simpelweg om economische redenen. Ten eerste zijn de kwaliteits- en precisie-eisen aan componenten veel lager dan bij multi-bit DAC’s, en bijgevolg is de kostprijs lager. Ten tweede waren in de jaren tachtig en negentig de kosten voor het implementeren van interpolatie en ruisvorming voor een één-bits modulator aanzienlijk lager dan voor 16-bits. Nu, met de ontwikkeling van technologie, is dit niet zo kritisch, en veel sigma-delta DAC’s hebben, net als multibits, meerdere uitvoerniveaus. Maar door de meervoudige frequentieverhoging zijn de eisen aan de componenten nog steeds niet erg hoog, dus het eerste voordeel blijft tot op de dag van vandaag bestaan.

Moderne sigma-delta-DAC’s zijn complex en bevatten bijna alle technologieën die in het vorige hoofdstuk zijn opgesomd. Ik zal een voorbeeld geven van de interne structuur van een van de eenvoudige sigma-delta-DAC’s uit de Vologdin-lezingen.

Ingevoerde 16-bits digitale samples met een samplefrequentie van 44,1 kHz worden naar het digitale overbemonsteringsfilter gevoerd. Het schema maakt gebruik van een niet-recursieve viervoudige overbemonstering FIR-interpolatiefilter (eindige impulsresponsie) met een lineaire faserespons. In de eerste modulatiestap wordt als resultaat van herkwantisering het aantal bits in de monsters teruggebracht van 16 naar 14 en wordt eerste-orde SDM gebruikt. Vervolgens wordt opnieuw bemonsterd in twee stappen (Kos = 32 en 2). Een ruissignaal wordt geïntroduceerd op het pad tussen deze fasen, waarbij de “Dithering” -bewerking wordt uitgevoerd met een ruisniveau gelijk aan minus 20 dB. Het vermindert de niet-lineariteit van de overdrachtsfunctie als gevolg van kwantisatiefouten. De totale overbemonsteringsfactor is 256 en de bemonsteringsfrequentie neemt toe tot 11,29 MHz In de tweede modulatiefase wordt SDM van de tweede orde gebruikt en wordt een digitale stroom van één bit gevormd. De DAC-uitgang is verbonden met een digitale tijdpulsmodulator, die de digitale gegevens omzet in een dichtheidsgemoduleerde pulssequentie (PDM).

Lawaai – Deel 3

Audio opnemen

Om het audiosignaal op te nemen en te mixen, begonnen ze decimering te gebruiken, dit is het omgekeerde proces, overbemonstering met downsampling en kwantisatie van bitdiepte. Het signaal wordt opgenomen met een hoge samplefrequentie en kwantiseringsbitdiepte, bijvoorbeeld 176,4 of 192 kHz met een 24 bit-bitdiepte, en het verwijderen van een aantal samples met behulp van een digitaal filter wordt ‘gecomprimeerd’ naar de CDDA-standaard – 44,1 kHz, 16 stukjes. Deze benadering kan kwantiseringsruis enigszins verminderen.

Hieronder ziet u een illustratie van het algoritme voor het decimeren van een discreet signaal met een factor 2. Rode stippen geven monsters aan, ononderbroken lijnen – een continu signaal dat deze monsters vertegenwoordigt. Hierboven staat het originele signaal. In het midden hetzelfde signaal na filtering op een digitaal laagdoorlaatfilter. Hieronder staat het gedecimeerde signaal.

Dithering
Dithering (dithering) – Een methode om pseudo-willekeurige ruis te mengen bij het digitaliseren of afspelen van een geluidssignaal. Deze technologie heeft twee doelen:

linearisering van de overdrachtsfunctie van kwantisator / requantizer;
decorrelatie van kwantisatiefouten.
Kwantisatieruis heeft een correlatie, dat wil zeggen een relatie met het hoofdsignaal. Dit creëert parasitaire harmonischen die de golfvorm volgen. Ze beïnvloeden de waarneming en creëren een “diffuus” geluid. Correlatie kan worden verwijderd door ruis met een speciaal patroon toe te voegen aan het hoofdsignaal, waardoor de gecorreleerde kwantiseringsruis wordt omgezet in gewone witte ruis. Dit verhoogt het algehele geluidsniveau een beetje, maar is goed voor de waarneming.

Dithering in het beeldverwerkingsvoorbeeld: voor en na
Dithering in het beeldverwerkingsvoorbeeld: voor en na
Geluidsmodellering
Noise Shaping (NS) -technologie kan ruis aanzienlijk verminderen die wordt geïntroduceerd tijdens kwantisering, opnieuw opsluiten en dithering.

Ruismodellering werkt als volgt: het gekwantiseerde signaal aan de ingang wordt vergeleken met het signaal aan de uitgang van de herkwalificator, er ontstaat een verschil (fout), dat wordt afgetrokken van het hoofdsignaal. Dit compenseert voor vervormingen die door de aanvrager en tijdens het ditheringproces worden geïntroduceerd. Er wordt een zogenaamde terugkoppeling gevormd, die tracht de fout in de invoer en uitvoer van de aanvrager te compenseren. Deze technologie werkt als negatieve feedback in een opamp, behalve dat alle conversies digitaal worden gedaan.

Hier is een diagram van een aanvrager van de eerste orde, maar in de regel worden aanvragers gebruikt tot bestelling 9-12.
Hier is een diagram van een aanvrager van de eerste orde, maar in de regel worden aanvragers gebruikt tot bestelling 9-12.
Deze technologie heeft zijn nadelen. Het gebruik van NS introduceert een grote hoeveelheid ruis in het hoge frequentiegebied, waardoor het nodig is om een ​​laagdoorlaatfilter toe te passen met een afsnijfrequentie die dicht bij de bovenste afsnijfrequentie ligt. In de praktijk wordt samen met NS ook altijd dithering toegepast, het resultaat van hun gezamenlijke werk is veel beter op het gehoor.

Dynamische itemafstemming
Dynamic Element Matching (DEM) is een technologie die verschillende signaalniveaus genereert aan de DAC-uitgang. Het ziet eruit als een kruising tussen een enkele bit en een multi-bit DAC. DEM wordt gebruikt om deterministische fouten te verminderen bij het gebruik van sigma-delta-modulatie (SDM). Deze fouten zijn, evenals kwantiseringsruis, sterk gecorreleerd met het signaal aan de één-bit modulatoruitgang en hebben daarom een ​​significante invloed op de perceptie van het audiosignaal.

Deze technologie vermindert ook de vereisten voor het analoge filter, omdat de golfvorm zelfs vóór het filteren dicht bij de gereproduceerde golfvorm ligt. DEM is geïmplementeerd met verschillende pinnen die zijn aangesloten op een gemeenschappelijke bus, die het uitgangssignaal van de DAC vormen.