Analog a Digital. Můžeme si je představit jako dva břehy, mezi nimiž obstarává spojení most. Tím mostem je digitálně-analogový převodník. Samozřejmě, že je třeba jet přes most také zpátky a proto existují i převodníky analogově-digitální. Výklad o principu fungování těchto přístrojů a srovnání formátů hudebních dat připravil Ing. Pavel Macura z firmy PMA – Pavel Macura Audio. Díl třetí, závěrečný.
3. Formáty audio dat
3.1. PCM 16bit/44.1kHz – 24bit/192kHz
V předchozích kapitolách jsme zběžně zmínili 2 základní principy A/D a D/A převodníků, a sice Nyquistův (kvantizační krok 1LSB) princip delta modulace (modulace hustoty impulsů konstantní amplitudy, střední hodnota modulovaných impulsů odpovídá analogovému signálu).
Blokové schéma řetězce pro záznam analogového signálu na digitální médium a pro reprodukci z něj vypadá v současné době v principu takto:
Z obrázku vidíme, že i PCM řetězec zpravidla vždy obsahuje komponenty na principu modulace delta. Použití 1-bitového sigma-delta A/D převodníku na vstupu vede k možnosti vypustit strmý analogový filtr dolní propust s Fc < 22.05kHz. Dále mají dnešní sigma-delta převodníky vynikající linearitu. Signál z výstupu 1-bitového převodníku, pracujícího na vzorkovací frekvenci Fs = 64 x 44.1 kHz = 2.8824 Mhz musí projít digitálním decimačním filtrem, abychom dostali lineární PCM modulaci 16bit/44.1kHz. V tomto formátu je signál zaznamenán na CD. Po načtení z CD se v přehravači téměř vždy používají D/A převodníky s převzorkováním, a to multibitové sigma-delta s 8x převzorkováním. Než přijde signál na vstup takového převodníku, musí projít digitálním interpolačním filtrem. Zde se vloží nulové vzorky (zero padding) mezi původní, tak aby z původní frekvence Fs se získala vyšší frekvence po převzorkování. Hodnoty vložených “nulových” vzorků doplní digitální interpolační filtr, což je brickwall dolní propust s Fc = 22.05kHz. Za multibitovým sigma-delta převodníkem 8 x Fs je již možné pro odstranění nežádoucích spektrálních složek možné použít analogový filtr s menší strmostí poklesu za kmitočtem zlomu, viz obr.3. K decimaci a interpolaci viz obr.22.
Při pohledu na obr.21 a obr.22 se přímo nabízí otázka, proč se nezbavit hned několika zdrojů kvantizačních chyb (decimace, interpolace) a problematických frekvenčních charakteristik (brickwall filtry při decimaci a interpolaci), když střední hodnota signálu za vstupním jednobitovým sigma-delta A/D převodníkem odpovídá vstupnímu analogovému signálu. Tato idea vedla k vývoji odlišného principu digitálního záznamu, nazvaného DSD – direct stream digital.
3.2. DSD
V principu nejjednodušší řešení formátu DSD (direct stream digital) ukazuje dolní blokové schéma v obr.21. 1-bitový proud dat s modulací hustoty impulsů se uloží na médium a po čtení se filtrem typu dolní propust se obnoví analogový signál v pásmu určeném dolní propustí. Podrobná analýza vlastností DSD proudu dat přesahuje možnosti tohoto příspěvku a zájemce odkazuji na literaturu, uvedenou na konci příspěvku. Lze shrnout, že DSD signál má při vzorkovací rychlosti 2.8224 MHz vynikající vlastnosti pro nižší kmitočty (téměř nekonečné rozlišení), v pásmu do 20kHz lze bez problémů docílit SNR 120dB a šum je vytlačován do nadakustického pásma. Vysoké hodnoty SNR v audio pásmu jsou zpravidla dosahovány použitím sigma-delta modulátoru 5.řádu. Dosahuje se šířka pásma až DC – 100kHz. S ohledem na vysoký obsah ultrazvukového šumu v signálu DSD se na výstup SACD přehravačů doporučuje dávat analogový filtr typu dolní propust s Fc = 50kHz a strmostí alespoň 30dB na oktávu (tj. BW 5. řádu).
Malcolm Hawksford provedl simulaci vlastností modulátoru SDM 5. řádu firmy Sony (obr.23) a došel ke spektru viz obr.24.
Pro zajímavost uveďme naměřené hodnoty na špičkových PCM a DSD audio převodnících firmy EMM Labs.
Srovnání parametrů CD disku a SACD disku je uvedeno v následující tabulce:
4. FFT analýza hudebních dat na CD, DVD-A a SACD
V této kapitole si ukážeme několik příkladů spekter hudebních ukázek z různých formátů audio disků.
Pro CD byla zvolena ukázka z CD fy Teldec, 5. symfonie LVB. Jde o ukázku klasické hudby s vysokým podílem vysokých frekvencí, na kterých je jasně vidět zásah brickwall filtrů nad 20 kHz.
Další spektrum je z DVD-A disku fy Reprise, skladba Godwhacker od dua Steely Dan. Přes velký frekvenční rozsah formátu 24/192 a vysoký podíl vysokých kmitočtů v elektronické hudbě je na spektru vidět útlum nad 24kHz, pravděpodobně omezením při nahrávání (PCM 48kHz?).
Příklad spektra SACD je z disku Telarc, Maurice Ravel, Daphnis et Chloé. Jde o korektně vytvořený SACD disk s použitím cesty kompletně ve formátu DSD. Je vidět značný obsah kmitočtových složek do 35 kHz.
Další SACD ukázka je z disku Verve, Diana Krall. Je vidět, že převod do DSD byl proveden dodatečně z kmitočtově omezeného záznamu v PCM nebo po masteringu v PCM.
5. Resolution Project Disc
Vzhledem k nekonečným debatám o slyšitelnosti či neslyšitelnosti zvýšení rozlišení a kmitočtového rozsahu na discích DVD-A ev. SACD proti klasickému CD formátu, se pan John Calder, zakladatel konzultantské firmy Ester Generator LLC, rozhodl uskutečnit projekt, kde by při použití shodné mikrofonní cesty provedl současný záznam hudebních ukázek do několika různých formátů a ty potom dal k dispozici na DVD-A disku. Projekt byl uskutečněn ve spolupráci s firmou Minnetonka Audio Software Inc. a dalšími firmami.
Byly zvoleny 2 žánry, a sice klubový jazz, Mary Louise Knutson Trio, nahráno v Dakota Jazz Club and Restaurant v Minneapolis, a komorní kvarteto The Artaria String Quartet, Presto Opus 20/4 Josef Haydn, nahráno v kostele St. John the Evangelist v St. Paul.
Bylo použito 5 mikrofonů DPA 4052 (16mm), nahráváno 5 kanálů (L/R/C/Ls/Rs). Mikrofonní předzesilovač Great River MP-2NV a 3 záznamníky Genex Audio GX9048 pracující v rozlišení 16/44.1, 24/96 a 24/192. Editace záznamů byla provedena na Nuendo 3 (32-bit floating point), neprováděla se změna vzorkovacích rychlostí ani dithering, pouze komprese do ukázek komprimovaných formátů MP3, WMA a AAC. Pro hires DVD-A bylo použito MLP kódování.
Následující obrázek je spektrum záznamu Knutson jazz tria ve formátu 16/44.1
Dále následuje tatáž ukázka v 24/96
Ukázky dokumentují shodu spekter s výjimkou šířky pásma.
Literatura
[1] Kester, W., Bryant, R.: Sampled data systems. Semináře firmy Analog Devices.
[2] Kester, W., Bryant, R.: DACs for DSP applications. Semináře firmy Analog Devices.
[3] Kester, W., Bryant, R., Buxton, J.: ADCs for signal conditioning. Semináře firmy Analog Devices.
[4] AD1955. High performance multibit sigma-delta DAC with SACD playback. Katalogový list firmy Analog Devices.
[5] Super Audio CD. A technical overview. Firemní literatura Philips a SONY.
[6] The ABCs of DACs. Pro Sound News, November 2003.
[7] Lokken, I.: High-Resolution Audio DACs. Final report, a review of the digital audio conversion process, 2005-08-17.
[8] Hawksford, M.O.J.: Noise shaping in time-domain quantized LFM. AES
10 convention paper, 119th convention, 2005 October 7-10.
[9] Hawksford, M.O.J.: Ultra high-resolution audio formats for mastering applications. AES convention paper 6148, 2004 May 8-11.
[10] Darling, T.F., Hawksford, M.O.J.: Oversampled analog-to-digital conversion for digital audio systems. J. Audio Eng. Soc., Vol. 38, No. 12, December 1990.
[11] Měření firmy EMM Labs, Ed Meitner.
[12] Reiss, J., Sandler, M.: Digital audio effects applied directly on a DSD bitstream. Proc. of the 7th Int. Conference on Digital Audio Effects, Naples, Italy, October 5-8, 2004.
[13] Hoffner, V.: Úvod do teorie signálů. SNTL Praha 1979.
