Wie arbeitet ein DAC und was kann Upsampling bewirken?

Einleitung

Viele fragen sich was der ganze Hype um Upsampling und DSD soll? Was viele nicht wissen ist, dass der eigene DAC oft ein Oversampling intern durchführt. Bei den weit verbreiteten Delta Sigma Chips im DAC erfolgt dann sogar vor der Wandlung in Analog eine Konvertierung in DSD.

Die Delta-Sigma-Modulation kann seit den 1970er Jahren mit den Fortschritten in der CMOS-Technologie preiswert umgesetzt werden. Delta-Sigma-Modulatoren werden von vielen großen Halbleiterherstellern als fertige integrierte Schaltung angeboten.

In diesem Newsletter wollen wir uns die typische Arbeitsweise eines DACs anschauen. Mit diesem Wissen erörtern wir die möglichen Vorteile des Upsamplings am Beispiel des HQPlayers. Und weil die Theorie ohne Praxis nichts wert ist, sehen wir uns zum Abschluss einige Messungen an.

Delta-Sigma-DAC

Beispiel ohne externes Upsampling (DAC OS PCM 44.1k)

Im Eingangsbild oben habe ich drei verschiedene Workflows von der typischen Signalverarbeitung in Delta-Sigma-DACs erstellt, auf die ich nachfolgend eingehe. Aus den Workflows ist zu erkennen, wie einzelne Bearbeitungsstufen des DACs umgangen werden und diesen in seiner Arbeit entlasten können.

Nehmen wir als Quellmaterial eine Red Book Datei mit einer Samplingrate von 44,1 kHz. Diese wird ohne Veränderung dem DAC bitperfekt zugeführt.

I DAC-Chip 1. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt eine Hochrechnung der Samplingrate auf das 8fache (8fs = 352,8 kHz) oder das 16fache (16fs = 705,6 kHz). Oft kann der Anwender zwischen verschiedenen (einfachen) Filtern wählen.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenberechnung zum Beispiel mit dem 16fachen der 1. Oversamplingstufe, um für den Modulator in den Megahertzbereich zu kommen. Dies geschieht meist durch einfache Interpolation oder durch das Kopieren von Samples. Die Hochrechnung erfolgt ohne Filterung.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator 

Das Prinzip der Delta-Sigma-Modulation beruht auf einer zunächst groben Messung des Signals (Quantisierer). Der dabei entstehende Messfehler wird integriert und über eine Gegenkopplung schrittweise kompensiert. Die Schritte werden sehr häufig durchgeführt, beispielsweise mit der 128-fachen Rate (Überabtastung) der Abtastrate der PCM-Daten, mit denen üblicherweise auf der digitalen Seite gearbeitet wird. Das Quantisierungsrauschen wird zu höheren Frequenzen verschoben (auch als Rauschformung oder engl. Noise Shaping bezeichnet). Heraus kommt ein Datenstrom namens DSD (Direct Stream Digital).

Die Anzahl der Integratoren bzw. die Anzahl der Gegenkopplungsschleifen charakterisieren die Ordnung des ΔΣ-Modulators. Je höher die Ordnung ist, umso stärker wird die Verschiebung des Rauschens, umso höhere Frequenzen können genutzt werden. Im DAC werden oft Modulatoren niedriger Ordnung (3. Ordnung) eingesetzt.

Exkurs DSD

DSD (Direct Stream Digital) ist eine Methode der digitalen Audiosignalspeicherung und eine eingetragene Marke der Sony Corporation.

Erstmalig angewendet wurde das DSD-Verfahren hauptsächlich bei der Super-Audio-CD (SACD). Gespeichert wird dabei der direkte Datenstrom eines Delta-Sigma-Modulators (genauer das Ausgangssignal der Rückkopplungsschleife des Modulators), der mit 2,8224 MHz arbeitet. Das entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate von 44,1 kHz, die auch bei der Audio-CD (Red-Book-CDDA) verwendet wird, welche mit linearer 16-bit-Puls-Code-Modulation (PCM) arbeitet. Höher auflösende DSD-Versionen verwenden heutzutage eine bis zu 1024-fache Abtastung (DSD1024).

IV DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Höhere Frequenzen mit dem Rauschen werden durch ein analoges Filter für den Analogausgang entfernt. Dieser analoge Filter ist immer vorhanden, auch bei NOS-DACs. Als Ergebnis wird ein analoges Signal erzeugt. Du kannst jetzt Musik hören.

Upsampling mit HQPlayer

Beispiel mit externen Upsampling (DAC OS PCM 705,6k)

Mittlerweile wissen wir, dass das Oversampling der PCM Files in Delta Sigma DACs nicht vermieden werden kann! Entweder macht es der DAC Chip in seinen Oversamplingstufen oder eine externe Software. Bei letzterem denkt der DAC dann, dass es sich um eine HiRes-Aufnahme handelt.

In unserem Beispiel schicken wir dem DAC ein Musikfile mit 705,6 kHz. Je nach DAC Design wird dann das interne Oversampling (zum Teil) umgangen.

I Audio PC HQPlayer Upsampling PCM

Dem HQPlayer wird PCM 41,1 kHz bitperfekt zugeführt und führt ein Upsampling auf 16fs (705,6 kHz) durch. Der DAC Eingang muss natürlich dafür geeignet sein. Das Ziel ist, mit der richtigen Samplingrate das DAC interne Oversampling zu umgehen.

Die DSP-Engines in DAC-Chips sind in Bezug auf Genauigkeit und Qualität nicht annähernd vergleichbar mit dem, was ein Audio PC tun kann. In modernen DACs werden typischerweise mit 32 Bit und in älteren DACs mit 24 Bit Festkomma-Berechnungen durchgeführt. Der HQPlayer rechnet mit mindestens 64 Bit, teilweise mit 80 Bit in Gleitkommapräzision.

Eine höhere Rechenleistung ermöglicht es, eine viel höhere Anzahl von Rechenoperationen während der begrenzten Zeit zwischen 2 Ausgangssamples (1/target_fs) auszuführen. Reine Computerleistung ermöglicht es also, Ergebnisse mit höherer Präzision zu erzielen, da die verwendeten Algorithmen nicht so sehr durch die Anzahl und Komplexität der Operationen eingeschränkt sind, die sie verwenden können.

Das Filterdesign im HQPlayer ist deutlich umfangreicher und ist von sehr hoher Qualität, siehe Grundlagen Audio PC: HQPlayer Filtereigenschaften.

II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe

Je nach DAC Design erfolgt nun wieder eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenerhöhung ohne Filterung, um in den Megahertzbereich zu kommen.

Aufgrund der sehr hochwertigen ersten Upsamplingstufe durch den HQPlayer kann die oft sehr einfache filterlose DAC-Chip Interpolation der zweiten Stufe keinen großen Schaden mehr anrichten.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator 

Hier erfolgt die Umwandlung in DSD wie oben beschrieben.

IV DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Auch dieser Vorgang erfolgt unverändert wie oben beschrieben,

Beispiel mit externen Upsampling (DAC NOS DSD256)

Wer das externe Upsampling nutzen möchte, für den sind DACs im NOS (Non Oversampling) die beste Option. Insbesondere für die Besitzer von Delta Sigma DACs drängt sich das Upsampling auf DSD geradezu auf, da dieses Format im DAC sowieso die letzte Stufe ist, bevor die Ausgabe des analogen Signals erfolgt.

NOS-fähige DACs findest du hier: Audio PC Upsampling – unverbindliche Liste von NOS-DACs.

Mit dieser Methode können die Upsamplingstufen und sogar der oft recht einfach gehaltene Modulator im DAC-Chip umgangen werden.

I Audio PC HQPlayer Upsampling DSD

Der HQPlayer erledigt drei Stufen auf einmal. Es erfolgt ein Upsampling auf die gewünschte DSD Rate mit den hochwertigen vom Anwender ausgewählten Filter, gegebenenfalls ergänzt um Faltungsfilter für die Raumkorrektur oder andere Einstellungen. Wer zum Beispiel die Signale vom Plattenspieler digitalisiert, spart sich die Phono Vorstufe und setzt im HQPlayer den RIAA Filter.

Die Begrenzungen im DAC-Chip mit seiner Abtastrate von oft 11,2 MHz (DSD128) und einem Modulator 3. Ordnung wird ersetzt durch den HQPlayer mit einer Abtastrate bis zu 49 MHz (DSD1024) und hochpräzisen EC-Modulatoren 7. Ordnung.

Der Schöpfer vom HQPlayer sagt, nur 50% der Leistung kommt von den digitalen Filtern. Die anderen 50 % stammen aus dem Modulatordesign.

II DAC-Chip D/A-Wandlungsstufe

Der DAC wird von viel Arbeit entlastet und führt nur noch seine Haupaufgabe durch. Nämlich die Digital zu Analog Wandlung. Das Ergebnis kann sich oft im wahrsten Sinne des Wortes Hören lassen. Hier folgt ein Zitat (übersetzt) eines HQPlayer Nutzers:

Mein Verständnis, das auf Hörerfahrung basiert, ist, dass ein präziseres Verarbeitungsergebnis zu
– einem besseren Luftigkeits- und Raumgefühl,
– einer klareren Instrumentenplatzierung und -trennung,
– einer besser geschichteten Klangbühne (anstelle von flach),
– einer feineren und detaillierteren Transientendarstellung anstelle der typischerweise gehärteten PCM-Pfadtransientenpräsentation,
– zu volleren und realistischeren Instrumentenklangfarben,
– einer besseren Dynamik aufgrund eines geringeren Grundrauschens und
– auch bei niedrigen Pegeln zur besseren Durchhörbarkeit von Details bei Instrumenten wie Perkussion,
führen.

Quelle: Why does the soundstage sound different (often better IMHO) in high rate DSD like DSD256 Vs native Redbook to a DAC with a Chip that upsamples to ultimately do SDM conversion. – DAC – Digital to Analog Conversion – Audiophile Style

Dem habe ich nichts hinzuzufügen.

Messungen

Beispiel 44,1k PCM-Eingang vs. DSD256-Eingang (ASDM7ECv2) iFi NEO iDSD

Interessant ist, ob sich die theoretischen Vorteile und die Hörberichte mit den Messergebnissen decken. Ergänzend möchte ich festhalten, dass die Messungen von Signalyst stammen.

Als DAC dient NEO iDSD (ifi-audio.com) und die Quelle ist der HQPlayer. Es handelt sich um einen 1-kHz-THD-Test.

44,1k PCM Eingang

Hier erfolgt ausschließlich die interne DAC Verarbeitung. Gut zu erkennen sind die zahlreichen Ausfransungen.

DSD256 Eingang

Das Upsampling und die Delta-Sigma-Modulation werden vom HQPlayer übernommen. Die Ausfransungen sind deutlich minimiert.

Beispiel 44,1k PCM-Eingang vs. DSD256-Eingang Marantz SA-12SE

Hier schließt sich ein Test mit dem DAC Marantz SA-12SE (marantz.com) an.

44,1k PCM Eingang

Die interne DAC Verarbeitung führt wieder zu zahlreichen Ausfransungen und zu einem leichten Anstieg zu den höheren Frequenzen.

DSD256 Eingang

Das Upsampling und die Delta-Sigma-Modulationvom HQPlayer führen zu deutlich verminderten Ausfransungen und zum linearen Rauschpegel.

Beispiel R2R DAC HoloAudio NOS DAC

Bisher hatten wir uns Delta-Sigma-DACs angesehen. Hier folgt ein R2R Ladder DAC. Ich weiß nicht genau, ob es dieser DAC ist: HoloAudio – Spring 3 DAC Level 2 (R2R – DSD1024) • Magna Hifi. Das Design ist jedoch bei den HoloAudio DAC-Varianten ähnlich.

Es ist ein vollständig diskreter R2R-Audiodecoder und hat keinen handelsüblichen DAC-Chip! Holo Audio unterstützt DSD nativ als R2R DAC, PCM davon getrennt. Dabei handelt es sich nicht um die DSD, die vor dem Digital-Analog-Wandler in PCM umgewandelt wurde, sondern direkt durch die diskreten Komponenten des DSD-Digital-Analog-Wandlers. Ich selbst hatte einen ARMATURE Asterion (Holo Spring) R2R Balanced XLR DAC (24bit/384khz DSD512) und war begeistert.

44,1 kHz PCM Eingang, 0 – 22,05 kHz Sweep-Ausgabe ohne Digitalfilter

Die Sweep-Ausgabe mit 0 – 22,05 kHz (Nyqist Grenzfrequenz) ohne Digitalfilter präsentiert eine große Streuung. Die Rekonstruktionsgenauigkeit liegt bei etwa 4 Bit.

705,6k PCM Eingang

Gleiche Quelle, aber mit Upsampling auf 705,6 kHz mit deutlich besserer Rekonstruktionsgenauigkeit ca. 13 Bit.

DSD32 Eingang

Und mit Upsampling auf 1,4112 MHz liegt die Rekonstruktionsgenauigkeit bereits bei etwa 18 Bit.

705,6k PCM Eingang mit 24 Bit

Es sind noch einige Ausfransungen zu erkennen.

705,6k PCM Eingang mit 20 Bit und TPDF-Dithering

Besser wird es, wenn im HQPlayer durch die Kombination von Upsampling mit geeigneter Wortlänge und Noise-Shaper zur Linearisierung der Konvertierungsstufe die Low-Level-Linearitätsfehler korrigiert werden, die für R2R inhärent sind. Hier wurde TPDF-Dithering als Rauschformer verwendet und die Wortlänge auf 20 Bit reduziert. Die Verzerrungskomponenten sind bei diesem DAC verschwunden!

Zusammenfassung

Die digitale Audiosignalverarbeitung besteht nicht nur aus 0/1 Bits. Es kommt wie so oft auf die Umsetzung an. Da DACs konstruktionsbedingt nie die Rechenleistung eines Audio PCs erreichen können, sind sie oft auch in der Signalverarbeitung auf einfache Standards wie Interpolation und Festkomma-Berechnungen und Modulatoren niedriger Ordnung angewiesen.

Bei Delta-Sigma-DACs erfolgt vor der Wandlung in Analog eine Konvertierung in DSD. Warum also nicht gleich DSD mit einem Audio PC unter Umgehung der DAC-internen Oversamplingstufen durchführen? Selbst bei anderen DAC Architekturen wie R2R Ladder DACs sind Klangsteigerungen durch externes Upsampling möglich.

Das funktioniert am besten mit NOS DACs. Der deutsche Hersteller T+A empfiehlt sogar ein externes Upsampling mit einem leistungsstarken Audio PC. Der T+A SD(V) 3100 HV DAC hat dafür sogar extra eine Schnittstelle für den HQPlayer (NAA – Network Audio Adapter) eingebaut bekommen.

Die Messergebnisse unterlegen mit niedrigeren Störpegel und höherer Dynamik die klanglichen Vorteile.