Einleitung

In diesem Beitrag geht es um Modulatoren. Du denkst jetzt vielleicht: „Was ist das? Interessiert mich aber auch nicht, weil ich nur bitperfekt im NOS (Non Oversampling) höre“. Ist das mit deinem DAC überhaupt möglich, oder wandelt er vielleicht mehr als du denkst?

Wenn du die Architektur des DACs kennst, kannst du gezielter Verbesserungen vornehmen. Deshalb schauen wir uns einen Delta-Sigma-Chip in der Praxis an. Außerdem hat der HQPlayer einen sensationellen neuen Modulator eingeführt, den ich dir vorstellen möchte.

Grundlagen

Audioformate

Um die Funktion des Modulators richtig einordnen zu können, betrachten wir zunächst die beiden wichtigsten verlustfreien Audioformate PCM und DSD.

Quelle: Paweł Zdziarski, CC BY 2.5, Link / Direct Stream Digital – Wikipedia

PCM (Pulse Code Modulation)

Das analoge Audiosignal wird periodisch abgetastet, indem es in diskrete Zeitabschnitte unterteilt wird. Diese Abtastwerte werden dann in binärer Form (0/1) kodiert. Dieser Vorgang ordnet dem analogen Wert einen digitalen Wert zu, der dem Amplitudenpegel (Lautstärke) des analogen Signals entspricht.

Die Audio-Abtastrate von 44,1 kHz wurde 1979 von Sony eingeführt und ist aufgrund des CD-Formats (Compact Disc) weit verbreitet. Die Bittiefe der CD beträgt 16 Bit, was einen Dynamikumfang von 96 dB (16 Bit x 6 dB) ermöglicht.

DSD (Direct Stream Digital)

Bei der Delta-Sigma-Modulation (DSD) zeigt jedes 1-Bit-Sample eine positive [1] oder negative [0] Änderung des Amplitudenpegel (Lautstärke) relativ zu seinem vorherigen Wert. Es arbeitet mit einer extrem hohen Abtastrate im Megahertz-Bereich.

Das DSD-Verfahren wurde ursprünglich bei der Super Audio CD (SACD) eingesetzt. Gespeichert wird der direkte Datenstrom eines Delta-Sigma-Modulators, der mit 2,8224 MHz arbeitet. Dies entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate von 44,1 kHz (Audio-CD/Red Book). Die Bittiefe beträgt 1 Bit, so dass DSD in seiner ursprünglichen Form nicht nachbearbeitet werden kann.

DAC Architektur

Wir konzentrieren uns auf die weit verbreiteten Delta-Sigma-Chips. Es gibt aber auch andere Architekturen, z.B. Ladder (R2R) DACs, die sicherlich einen eigenen Newsletter wert sind.

Delta-Sigma-Chips

Die Delta-Sigma-Modulation ist seit den 1970er Jahren mit den Fortschritten in der CMOS-Technologie kostengünstig realisierbar. Delta-Sigma-Chips werden von vielen großen Halbleiterherstellern als fertige integrierte Schaltungen angeboten. Sehen wir uns das Bild unten näher an:

Oversampling

In einem meist zweistufigen Verfahren wird im DAC ein Oversampling mit und ohne digitale Filter in den gewünschten MHz-Bereich durchgeführt. Dies ist z.B. 5,6448 MHz (44,1kHz x 128 = 5644800 kHz), was DSD128 entspricht. Dieses Oversampling ist zwingend notwendig, da der Delta-Sigma-Modulator nur im Megahertz-Bereich arbeiten kann.

Delta-Sigma-Modulator

In den gängigen Medien wirst du oft einen Modulator für ADC (Analog Digital Converter) finden, zum Beispiel hier: Delta-Sigma-Modulation – Wikipedia. Da wir nicht im Tonstudio sind, sondern Musik hören wollen, interessert uns der umgekehrte Weg.

Die digitalen Samples mit 0 und 1 gehen in den Eingangsdifferenzkonverter, welcher im hexadezimalem Wertbereich arbeitet. Dementsprechend kennt der digitale Modulator nur zwei Werte DRef- und DRef+.

Ein entstehender Messfehler wird integriert (Integrator) und über eine Gegenkopplung (negativ feedback) 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. 

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 Zyklus wiederholt sich pro Abtastzyklus.

Digital-Analog-Wandlung

Der fertige Bitstream geht nun an den eigentlichen DAC (Digital-Analog-Converter). Dieser hat die Aufgabe den digitalen Datenstrom in ein analoges Signal zu wandeln. Dabei muss zwingend ein analoger Tiefpassfilter eingesetzt werden.

Die Grundlage für den Filter ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, welches nur die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz) berücksichtigen darf. 

Modulatoren in der Praxis

Beispiel AKM AK4493 Chip

AKM Chips sind weit verbreitet, wie auch die ESS SABRE Chips. Sehen wir uns beispielhaft das Blockschaltbild des folgenden Chips an: AK4493SEQ | Audio D/A Converters | Audio Components | Products | Asahi Kasei Microdevices (AKM). Dieser Chip akzeptiert Quellraten von PCM 32 Bit / 768kHz und DSD512.

Quellformat PCM

PCM wird zuerst in ein Modul DATT (Dynamic Audio Transport Technology) geschoben. Soft Mute dürfte das Absenken der Lautstärke betreffen, vielleicht beim umschalten von Quellraten oder des Audio Formats. Wichtiger ist der Weg zum Modul Interpolator (De-Emphasis ist veraltet und wird nicht mehr benötigt). Der Interpolator rechnet die Quellrate auf die passende Frequenz im Megahertz-Bereich für den Delta-Sigma-Modulator hoch.

Der ΔΣ-Modulator nimmt die Daten in Empfang und erzeugt den in den Grundlagen erläuterten Bitstream, welcher dann über einen analogen Filter (SCF – Switched-Capacitor-Filter) von Digital zu Analog gewandelt wird.

Das bedeutet, dass bei DACs mit diesem oder anderen Delta-Sigma-Chips die Quelldateien im PCM Format zwangsläufig auf DSD umgerechnet werden!

Quellformat DSD

Erhält der AKM Chip Files mit DSD ist eine Umgehung möglich. Wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind, wird der Bitstream direkt dem analogen Filter zugeführt. Ob das in der Praxis funktioniert, ist vom DAC Hersteller abhängig. Manche DACs ermöglichen einen NOS (Non Oversampling) Betrieb, so dass die interne Verarbeitung vollständig umgangen werden kann. Der DAC erledigt dann nur noch seine eigentliche Aufgabe: die Digital-Analog-Wandlung.

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

Modulatoren im HQPlayer

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

Vorteile externer Modulatoren

Das On-Board-Upsampling erhöht den Jitter im DAC. Weil die Verarbeitung in der Nähe der D/A-Wandlungsstufe EMI/RFI erzeugt. Dadurch wird die eigentliche D/A-Wandlung gestört und Jitter verursacht. Wenn es durch einen externen Modulator stattdessen nur eine minimale On-Board-Verarbeitung gibt, werden EMI/RFI und Jitter reduziert.

Im DAC Chip können mangels Rechenleistung nur recht einfache Filter und Modulatoren umgesetzt werden. Auch wenn Hersteller wie AKM von VELVETSOUND™ technology oder ESS von HyperStream Modulatoren sprechen, handelt es sich vieleicht nur um Modulatoren 3. Ordnung. Das Ziel ist die Umgehung der limitierten internen DAC Verarbeitung.

Der HQPlayer bietet zum Beispiel zahlreiche Modulatoren 7. Ordnung an. Da liegen Welten dazwischen. Dementsprechend hoch ist die Anforderung an die Rechenleistung. Als Faustformel müssen für die anspruchvollsten HQPlayer Modulatoren pro Kanal ein Kern auf mind. 4 GHz getaktet werden. Für Stereo also zwei Kerne.

Für den fis Audio PC ist das kein Problem, da der Intel® Core™ i9-13900K 8 P-Cores hat, die virtuell auf 16 Cores verteilt (Hyper-Threading) eine parallele Verarbeitung ermöglichen.

Neuer HQPlayer Modulator AHM7EC5L

Der neue Modulator AHM7EC5L ermöglicht bei geringerer Rechenleistung eine höhere Abtastrate. Die Bezeichnung ist ein Akronym für Adaptime Hybrid-Modulator, 7. Ordnung, Erweiterte Kompensation, 5-stufig. Dieser Modulator kann nur für DSD1024 und höher eingesetzt werden. Obwohl es sich um einen experimentellen Modulator handelt, ist der Klang bei mir und auch bei anderen überragend!

Meine Wertschätzung für AHM7EC5L @1024 mit dem Holo May DAC. Meiner Meinung nach schlägt es Super @256 oder Light @512 mit Fokus auf saubere, tiefe Basserweiterung und Abbildung

HQ Player – Page 1211 – Software – Audiophile Style

Präzisere Bässe. Ich höre eine bessere Instrumententrennung und mehr Raum.

Which modulator do you use? – Audio Gear Talk / HQ Player – Roon Labs Community

Die Einstellungen können im HQPlayer Client „on the fly“ geändert werden.

Reduzierte Anforderung an die Rechenleistung

Ab der HQPlayer Version 5.0.0 ist positiv festzuhalten, dass die Modulatoren besser wurden und gleichzeitig die Rechenleistung zum Teil reduziert werden konnte. Der Modulator AHM7EC5L fällt in diese Kategorie.

In einem recht anspruchsvollen Szenario wird vom HQPlayer eine 44,1 kHz Datei mit dem Filter:

sinc-MGa

Apodisierender Gaußscher Konstantzeitfilter mit einer Million Taps bei 16- facher PCM-Ausgangsrate. Mit extrem hoher Dämpfung (65536 Umrechnungsverhältnis). Ähnlich zu poly-sinc-gauss-xla.

auf DSD1024 hochgerechnet.

Im Bild unten ist rechts die Auslastung mit 16 P-Cores (1-16) und den 2 E-Cores (17-18) zu sehen. Die P-Cores laufen auf max. 4,4 GHz, um eine energieeffiziente Verarbeitung zu erreichen. Möglich währen sogar 5,8 GHz, die hier aber nicht benötigt werden. Es ist immer gut eine CPU weit unter ihren Spezifikationen zu betreiben. Die zwei E-Cores werden nur für geringe Hintergrundaktivitäten eingesetzt. Die restlichen E-Cores (14 von 16) wurden im BIOS zur Energieeinsparung und Latenzminimierung deaktiviert. Die Auslastung der Kerne mit den Modulatoren ist mit je 40% (Kerne 1 und 9) moderat, die Gesamtbelastung ist mit 14% auch nicht hoch.

Zusammenfassung

Auch wenn das Audioformat PCM (Pulse Code Modulation) ist, wird es von den meisten DAC Chips zu DSD (Direct Stream Digital) gewandelt. Wenn du ein überzeugter NOS Hörer bist, schau dir die Architektur deines DACs an. Wenn ein Delta-Sigma-Chip verbaut ist, hörst du bei PCM kein NOS!

Bei einem Delta-Sigma-Chip wie z.B. AKM AK4493 ist es besser, DSD als Quellformat zu verwenden, da der Chip PCM zwangsläufig in DSD umwandelt. Mit DSD als Quelle werden die vergleichsweise einfachen Interpolatoren und Modulatoren des DAC-Chips umgangen.

Die Reduzierung der Verarbeitung im DAC Chip minimiert außerdem EMI/RFI und es wird dadurch weniger Jitter erzeugt.

Dabei musst du keine DSD Files kaufen oder streamen. Die meisten Audiofiles liegen sowieso in PCM vor, weil sich diese noch im Tonstudio digital nachbearbeiten lassen. Aber auch bei dir zum Beispiel mit Raumkorrekturfiltern und digitaler Lautstärkeregelung. Nutze einfach einen leistungsfähigen Audio PC und qualitativ hochwertige Filter und Modulatoren wie im HQPlayer. In Echtzeit wird PCM zu DSD gewandelt. Der DAC sieht dann das ursprüngliche Quellmaterial PCM gar nicht mehr, sondern nur noch DSD.

Der neue HQPlayer Modulator AHM7EC5L ist für mich im Moment der beste Modulator für DSD1024. Und das gleichzeitig mit reduzierter Rechenleistung. Aber auch andere Modulatoren bei geringerer Abtastrate sind in der Regel besser als im DAC. Mache dich vom DAC Design unabhängig. Nutze einen NOS fähigen DAC und freue dich über die Vielfalt der Möglichkeiten zur digitalen Musikaufbereitung. Je nach Stimmung und Musikgenre kannst du unterschiedliche Filter nutzen. Und bei Updates bist du immer mit dabei. Dafür haben wir den fis Audio PC konstruiert.

Weitere Fundstellen

Zum Vertiefen des Themas findest du einiges in unseren Audio PC Grundlagen:

• Was ist Audio PC Upsampling und welche Möglichkeiten zu Steigerung der Sound Quality (SQ) gibt es?
• Welche Wirkung haben die Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften?
• Warum sind die Audio PC HQPlayer Modulatoren meist deutlich besser als im DAC?
• Wie wirkt der Audio PC zwischen ADC und DAC?