Einleitung
Viele behaupten, der Klang wird erst im DAC während der „Digital to Analog Conversion“ gemacht. Bei einer bitperfekten Übertragung der Daten an den DAC hört sich das erstmal plausibel an.
Nur hat das mit der Realität oft nichts zu tun. Die meisten DACs haben Delta-Sigma-Chips von der Stange verbaut. Bei PCM Dateien erfolgt dabei ein Oversampling in den Megahertzbereich, damit ein Bitstream vor der eigentlichen „Digital to Analog Conversion“ erzeugt werden kann. PCM wird dabei zwangsweise in DSD umgewandelt, was viele DAC Hersteller gern verschweigen. Bitperfekt ist da vor der Wandlung in Analog nichts mehr.
Aufgrund der gegenüber einem PC sehr geringen Rechenleistung des DAC Chips erfolgen im DAC Interpolationen mit einfachen Filtern und Festkommaberechnungen. Oft werden die Samples nur kopiert, bis die Modulatorrate erreicht wird. Hier kann ein leistungsfähiger Audio PC mit höherwertigeren Filtern und Berechnungen mit Gleitkommapräzision sehr gut weiterhelfen.
Wie Delta-Sigma-DACS arbeiten, klären wir mit konkreten Beispielen in den Grundlagen. Dann sehen wir uns Strategien zur Klangverbesserung mit einem Audio PC und dem HQPlayer an.
Grundlagen
(1) DAC pure (der typische Signalpfad in Delta-Sigma-Chips)
Im „normalen“ DAC Betrieb (OS – Oversampling) folgen wir der Verarbeitung einer Red Book Quelldatei. Die 44,1 kHz / 16 Bit Datei 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). Dies erfolgt meist in mehreren Stufen als FIR-Interpolation: 44,1 → 88,2 → 176,4 → 352,8. Oft kann der Anwender zwischen verschiedenen (einfachen) Filtern wählen.
II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe
Abhängig vom DAC Design erfolgt eine zweite sehr vereinfachte Oversamplingstufe, zum Beispiel mit dem 16fachen der 1. Oversamplingstufe, also zum Beispiel auf 11,2896 MHz (16 x 705,6 kHz). Dies geschieht meist durch das Kopieren desselben Samples so oft wie nötig. Oder mit einer linearen Interpolation (IIR) auf die Modulatorrate.
III DAC-Delta-Sigma-Modulator
Die digitalen Samples mit 0 und 1 gehen in den Eingangsdifferenzkonverter, welcher im hexadezimalem Wertbereich arbeitet. Dementsprechend kennt der digitale Modulator nur zwei Werte. Ein entstehender Messfehler wird integriert (im Bild engl. „Integrator“) und über eine Gegenkopplung schrittweise kompensiert. 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. Ein herkömmlicher Delta-Sigma-Chip hat meistens nur einen Modulator 3. Ordnung.
Der Komparator vergleicht, ob sein Eingangssignal größer oder kleiner als ein bestimmter Schwellenwert ist und gibt ein entsprechendes Ein-Bit Signal, den Bitstream aus. Dieser Bitstream wird an einen DDC (Digital-Digital-Converter) solange in eine Gegenkopplungsschleife (negative feedback) abgezweigt, bis die gewünschte Signalqualität erreicht ist. Dieser Vorgang wiederholt sich immer in derselben Modulatorrate, die gegenüber PCM sehr hoch ist. Im Beispiel sind es 11,2896 MHz (16 x 705,6 kHz = DSD256).
Angewendet wurde das DSD-Verfahren ursprünglich bei der Super-Audio-CD (SACD). Gespeichert wird dabei der direkteDatenstrom eines Delta-Sigma-Modulators, der mit 2,8224 MHz arbeitet. Das entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate von 44,1 kHz (Audio-CD/Red-Book) mit 16-bit-Puls-Code-Modulation (PCM).
IV DAC D/A-Wandlungsstufe
Der fertige Bitstream geht nun in den eigentlichen DAC (Digital-Analog-Converter). Dieser hat die Aufgabe den digitalen Datenstrom in ein analoges Signal zu wandeln. Höhere Frequenzen mit dem Rauschen werden durch ein analoges Filter für den Analogausgang entfernt. Als Ergebnis wird ein analoges Signal erzeugt.
Ausgewählte DAC Chips in der Praxis
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.
ESS Sabre DAC Chips
Ein typisches Beispiel sind die ESS Sabre DAC Chips: SABRE Audiophile DACs – ESS Technology, Inc. Sehen wir uns den digitalen Signalpfad von dem ES9039MPRO Chip an.
Unten im Bild sehen wir, dass PCM über S/PDIF (rot markiert) nach dem Lautstärkeregler (DSP – Digitaler Signal Prozessor) einem 8fachen Oversampling mit Filter unterzogen wird. Und zwar in zwei Stufen: 2x und 4x. Wenn die Eingaberate höher als 44,1 kHz ist, wird die entsprechende Anzahl von Stufen von Anfang an übersprungen (Bypass). Wenn der DAC Chip also zum Beispiel 88,2 kHz erhält, wird die erste Stufe übersprungen und die zweite Stufe (4 x 88,2 kHz = 352,8 kHz) durchgeführt. Wenn die Rate 352,8 kHz oder höher ist, wird die 1. Oversamplingstufe komplett übersprungen.
Die 352,8 kHz werden dann auf die Modulatorrate auf 5,6448 MHz interpoliert (16 x 352,8 kHz). Danach geht es zum Delta-Sigma-Modulator, der den Bitstream erzeugt. Im Bild nicht mehr gezeigt erfolgt die eigentliche Umwandlung von Digital zu Analog mithilfe eines analogen Filters.
DSD (blau markiert) kann alle Oversamplingstufen umgehen, wenn die Mindest-Samplingrate erreicht wird. Hier sollte es DSD128 (8 x 16 = 128 x 44,1 = 5,6448 MHz) sein. Leider gibt es keinen Bypass bei den Schritten Volume Control, THD Comp. und ASRC. Es erfolgt also weiter eine nachgelagerte Bearbeitung von DSD und das kann etwas problematisch sein.
AKM’s Audio D/A Converters
Ebenfalls weit verbreitet sind die Audio D/A Converters von Asahi Kasei Microdevices (AKM). Sehen wir uns das Blockschaltbild vom AK4493SEQ Chip an. In Rot markiert geht PCM (vereinfacht) seinen Weg vom internen DSP (DATT / Soft Mute) über den Interpolator zum Delta-Sigma-Modulator, der wieder den Bitstream erzeugt.
Im Grunde genommen zeigt sich das gleiche Bild wie bei ESS Sabre mit einem entscheidenden Unterschied: Wenn DSD (blau markiert) im bypass betrieben wird, dann wird DSD unberührt vom DSP am Interpolator und Modulator vorbei durchgeschleust. Das ist eine gute Sache, weil der externe Bitstream ohne weitere Bearbeitung durchkommt und der DAC nur noch die eigentliche Digital to Analog Conversion macht. Ob es so ist, hängt allerdings vom DAC Design insgesamt ab. Beim Selekt DSM | Network Music Players | Linn Deutschland mit dem Level1-DAC (DAC-Chip AK4493) ist es zum Beispiel nicht möglich, weil kein Weg am internen FPGA vorbeiführt und der Linn kein NOS (Non Oversampling) anbietet.
Texas Instruments (ehemals Burr-Brown) DAC Chips
Burr-Brown DAC Chips sind bei DAC-Herstellern sehr beliebt. Als Beispiel sehen wir uns diesen Chip an: PCM1795. PCM wird auf das achtfache (8fs = 352,8/384 kHz) hochgerechnet und geht dann in den Delta-Sigma-Modulator. Einen eigenen DSD-Pfad gibt es nicht.
Interessant ist, wie zum Beispiel T+A diesen DAC Chip im SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) verwendet. PCM wird über einen eigenen DSP (Digital Signal Prozessor) auf das sechzehnfache (16fs = 705,6/768 kHz) hochgerechnet und dann erst dem PCM1795 zugeführt. Dabei wird die 1. Oversampling-Stufe im DAC Chip umgangen. Freilich muss die 2. Oversampling-Stufe im DAC Chip erfolgen, um auf die Modulatorrate von 2.8224 MHz (DSD64) zu kommen. Das T+A interne Oversampling kann dabei übergangen werden, wenn dem SDV 3100 HV Quellmaterial mit PCM 705,6/768 kHz zugeführt wird. Der DAC schaltet dann automatisch in den NOS-Betrieb (Non Oversampling) um.
ROHM DAC Chips
Ein weiteres Beispiel ist dieser DAC Chip: New 32bit D/A Converter IC for Hi-Fi Audio Equipment | ROHM Semiconductor – ROHM Co., Ltd. Es handelt sich ebenfalls um einen Delta-Sigma-Chip. In den roten Kästchen ist der Weg von PCM markiert. Über Audio Funkion Control geht es zum Upsampling über FIR Filter und anschließend erzeugt der Delta-Sigma-Modulator den Bitstrom für die Wandlung von Digital zu Analog.
DSD umgeht vorbildlich sämtliche DSP- und Upsamplingstufen und geht direkt zur Digital-Analog-Wandlung. Das neue Olympus I/O XDMI DAC-Modul von Taiko Audio enthält einen ROHM-Chip. Ob es dieses Modell ist weiß ich nicht, aber diesem DAC das DSD Format zuzuspielen, kann sich lohnen.
Strategien zur Klangverbesserung
(2) HQPlayer Upsampling PCM
Das externe Upsampling kann natürlich auch über andere Software Engines erfolgen. Zum Beispiel mit Roon oder mit PGGB – Offline remastering (remastero.com). Jedoch ist für mich der HQPlayer– Signalyst die bisher beste Upsamplinglösung.
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 selbst oder ein internes DSP/FPGA vom Gerätehersteller oder eine externe Software führen die Berechnungen aus. In unserem Beispiel wird die Red Book Quelldatei mit einer Samplingrate von 44,1 kHz vorher vom HQPlayer verarbeitet. Der DAC erhält 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 dieser führt ein Upsampling auf 16fs (705,6 kHz) durch.
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 DACs werden typischerweise mit 32 Bit oder sogar nur 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. Meist kann das Upsampling dann einstufig durchgeführt werden. Das Filterdesign im HQPlayer ist sehr umfangreich und von sehr hoher Qualität.
Unbedingt hervorzuheben sind die apodisierenden Filter, die gerade bei dem sehr weit verbreiteten Audio-CD/Red-Book Quellmaterial etwaige Fehler des Masterings beseitigen kann. Siehe auch Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.
II DAC-Chip 2. Oversampling-Stufe
Für den DAC beträgt die Quellrate jetzt 705,6 kHz. Je nach DAC Design erfolgt nun wieder eine zweite sehr vereinfachte Abtastratenerhöhung. Aufgrund der sehr hochwertigen ersten Upsamplingstufe durch den HQPlayer kann das Kopieren der Samples auf die Modulatorrate durch den DAC-Chip keinen Schaden mehr anrichten.
III DAC-Chip Delta-Sigma-Modulator
Hier erfolgt unverändert die Umwandlung in DSD wie oben in den Grundlagen beschrieben, jedoch mit qualitativ besserem Oversamplingmaterial.
IV DAC D/A-Wandlungsstufe
Auch dieser Vorgang erfolgt unverändert wie oben beschrieben.
(3) HQPlayer Upsampling DSD
Wer das externe Upsampling voll 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: Which DACs bypass digital filtering? – Page 33 – DAC – Digital to Analog Conversion – Audiophile Style. Hier ist auch der SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) genannt, der mit seinem T+A-True-1Bit DSD D/A-Wandler bis zu DSD 1024 (49,2 MHz) nativen Bitstream ohne interne Verarbeitung anbietet.
Mit dieser Methode können die Oversamplingstufen und der oft recht einfach gehaltene Modulator im DAC-Chip umgangen werden.
I Audio PC HQPlayer Upsampling DSD
Der HQPlayer erledigt drei Stufen auf einmal. Im Beispiel erfolgt ein Upsampling von PCM 44,1 kHz auf DSD256 mit dem vom Anwender ausgewählten Filter, gegebenenfalls ergänzt um Faltungsfilter für die Raumkorrektur oder andere Einstellungen.
Die Begrenzungen im DAC-Chip mit seiner Abtastrate von zum Beispiel 11,3 MHz (DSD256) und einem Modulator 3. Ordnung wird ersetzt durch den HQPlayer mit einer Abtastrate bis zu 49 MHz (DSD1024) und hochpräzisen Modulatoren 7. Ordnung. Dies setzt freilich voraus, dass der DAC im NOS (Non Oversampling) arbeitet.
Der Schöpfer vom HQPlayer sagt, 50% der Leistung kommt von den digitalen Filtern. Die anderen 50 % stammen aus dem Modulatordesign. Siehe auch Audio PC HQPlayer Modulatoren.
II DAC D/A-Wandlungsstufe
Der DAC wird von viel Arbeit entlastet und führt nur noch seine Hauptaufgabe durch: nämlich die Digital zu Analog Wandlung. Weniger Rechenoperationen führen zum geringeren Strombedarf und das wirkt sich oft auf ein geringeres Rauschen aus.
Zusammenfassung
Um deinen DAC klanglich zu verbessern, musst du als erstes klären wie die Signalverarbeitung im Gerät erfolgt. Wenn es sich um einen Delta-Sigma-DAC handelt, dann wird am Ende ein Bitstream mit der begrenzten Rechenleistung eines DAC Chips erzeugt. Eventuell wird das Oversampling durch einen weiteren Chip mit eigener Software (DSP oder FPGA – Field Programmable Gate Array) unterstützt. Da am Ende sowieso DSD rauskommt, kannst du hier mit deinem Audio PC ansetzen.
Welches Upampling mit dem Audio PC am zweckmäßigsten ist, entscheidet das DAC Design. Wenn ein ESS Sabre Chip verbaut ist, hilft oft ein PCM Upsampling, um den internen Filter zu umgehen. Auch DSD in der richtigen Größenordung kann helfen, weil dadurch alle Oversamplingstufen umgangen werden. Leider stört dann immer noch die interne DSP Verarbeitung.
Bei AKM Chips wäre DSD meine erste Wahl, da der Bitstream unverändert durchgeleitet werden kann. Es ist allerdings auch abhängig vom DAC Hersteller, ob dieser den NOS Betrieb zulässt. Bei Linn DACs geht es zum Beispiel nicht, aber von Usern ist zu hören, dass PCM Upsampling auf 192 kHz viel bringt.
Bei DACs mit dezidiertem DSD-Pfad wie beim SDV 3100 HV Referenz Streaming DAC Vorverstärker (ta-hifi.de) würde ich immer DSD Upsampling mit dem HQPlayer wählen. Hier den ebenfalls angebotenen PCM-Pfad mit den PCM1795 Chips zu nutzen, macht für mich keinen Sinn, da die Burr-Brown Chips hinterher mit einem sehr einfachen Modulator die PCM Quelldatei sowieso in einen Bitstream (DSD64) umwandeln.
Die beste Lösung ist es von vornherein einen NOS fähigen DAC für DSD zu kaufen. Damit erhältst du alle Freiheiten und bist wesentlich flexibler, was Filter und Modulatoren angeht.
Das Ergebnis kann sich oft im wahrsten Sinne des Wortes Hören lassen. Hier folgt ein Zitat eines HQPlayer Nutzers:
Mein Verständnis, das auf Hörerfahrung basiert, ist, dass ein präziseres Verarbeitungsergebnis zu folgenden positiven Effekten führen:
– 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.
PCM in DSD vor dem DAC umzuwandeln, erfordert eine hohe Rechenleistung. Mit einem Intel NUC wirst du nicht weit kommen. Der fis Audio PC ist mit seiner hohen Rechenleistung für das DSD Upsampling gemacht.
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