Audio PC HQPlayer Modulatoren

Inhaltsverzeichnis
  1. Das Prinzip der Delta-Sigma-Modulatoren
  2. Den internen DAC Modulator durch einen besseren externen Modulator ersetzen
  3. HQPlayer Modulatoren für DSD

Das Prinzip der Delta-Sigma-Modulatoren

Was viele nicht wissen ist, dass im eigenen DAC durch den sehr verbreiteten Delta Sigma Chip vor der Wandlung in Analog die PCM-Signale in DSD umgewandelt werden. 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.

Angewendet wurde das DSD-Verfahren ursprünglich bei der Super-Audio-CD (SACD). Gespeichert wird dabei der direkte Datenstrom 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). Siehe auch unsere Audio PC Grundlagen zum Upsampling.

Sehen wir uns das obige Bild näher an.

Oversampling

In einem zweistufigen Verfahren wird im DAC ein Oversampling in den gewünschten MHz-Bereich durchgeführt. Das sind oft 5,6448 MHz (44.1kHz x 128 = 5644800 kHz), welches DSD128 entspricht.

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! Je nach Implementierung sind das zum Beispiel:

DRef-DRef+EingangswertebereichTyp
00 (hex)FF (hex)00 (hex) bis FF (hex)Unsigned Binary Byte
8000 (hex)7FFF (hex)-32768 bis +32767 (dezimal)Signed Binary 16 Bit

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. 

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 Abtasttakt.

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 ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem, welches nur die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz) berücksichtigen soll. Wird das Abtasttheorem durch eine zu niedrige Abtastrate verletzt, so werden Frequenzanteile, die ursprünglich höher waren als die halbe Abtastrate, als niedrigere Frequenzen interpretiert, da für diese eine Unterabtastung stattfindet. Dieses unerwünschte Phänomen wird Alias-Effekt genannt. Diese sogenannten Spiegelfrequenzen sollen durch Filter ausgesperrt werden, weshalb dieses Filter oft auch Antialiasing-Filter genannt werden.

Den internen DAC Modulator durch einen besseren externen Modulator ersetzen

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

Im Bild oben sind zwei Verarbeitungsstränge zu sehen. Im ersten Strang macht der DAC mit PCM 44,1kHz/16Bit (CD-Format) sein Ding und im zweiten Strang wird der DAC vom HQPlayer nicht nur entlastet, sondern klanglich mit DSD1024 deutlich aufgewertet. Sehen wir uns das genauer an:

Beispiel ohne externes Upsampling (DAC OS PCM 44.1k)

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 in Festkommarechnung oder durch das Kopieren von Samples. Die Hochrechnung erfolgt ohne Filterung.

III DAC-Delta-Sigma-Modulator 

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 wie hier im Beispiel oft Modulatoren niedriger Ordnung (3. Ordnung) eingesetzt.

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.

Beispiel mit externen Upsampling (DAC NOS DSD1024)

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. Siehe Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

Die Begrenzungen im DAC-Chip mit seinem Modulator 3. Ordnung wird ersetzt durch den HQPlayer mit einer Abtastrate bis zu 49 MHz (DSD1024) und hochpräzisen Modulatoren 7. Ordnung.

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.

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

Die hervorragende Qualität des HQPlayers wird durch Messungen bestätigt.

HQPlayer Modulatoren für DSD

DSD Raten

Der Entwickler ordnet die DSD-Raten wie folgt ein:

  • DSD64 -> DSD128 ist ein großer Schritt
  • DSD128 -> DSD256 ist immer noch ein großer Schritt
  • DSD256 -> DSD512 ist ein mittlerer bis kleiner Schritt
  • DSD512 -> DSD1024 ist ein kleiner Schritt

HQPlayer Version 4

Die Modulatoren werden im HQPlayer stetig verbessert. Mit der HQPlayer Version 4 wurden die sogenannten EC-Modulatoren eingeführt. EC steht für „Extended Compensation“. Diese neuen Modulatoren bieten eine deutlich bessere Genauigkeit. Eine Auswahl von sehr guten Modulatoren in der HQPlayer Version 4:

  • ASDM7EC
    Adaptiver Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator siebter Ordnung mit erweiterter Kompensation.
  • ASDM7ECv2
    Zweite Generation des ASDM7EC mit geringfügigen Verbesserungen.

HQPlayer Version 5

Am 05. Mai 2023 wurde die neue Generation des HQPlayers eingeführt. Die Einführung war mit einer neuen Lizenz verbunden. Dafür ga es auch viel Neues, siehe HQPlayer 5 Desktop und HQPlayer 5 Embedded 5.0.0 veröffentlicht!

HQPlayer Version 5.0.0

Mit der HQPlayer Version 5 wurden weitere Modulatoren eingeführt, hier ist eine Auswahl:

HQPlayer Version 5.3.0

HQPlayer Version 5.4.0

Es wurden sogenannte ultraleichte Modulatoren für eine hochwertige Wiedergabe für leistungsschwache Rechner wie zum Beispiel Raspberry Pi 4 veröffentlicht.

  • ASDM7EC-ul
    Adaptive siebte Ordnung Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator mit erweiterter Kompensation. Ultraleichte Version.
  • ASDM7EC-UL 512+FS
    Adaptive siebte Ordnung Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator mit erweiterter Kompensation. Optimiert für 512x und höheren Raten. Ultraleichte Version.

Zusammenfassung

Für ESS Sabre-basierte DACs werden Modulatoren fünfter Ordnung empfohlen. Für die meisten anderen DACs sind Modulatoren siebter Ordnung optimal.

Der Nachteil der besten Modulatoren liegt in der deutlichen Erhöhung der CPU-Auslastung, wofür wir mit dem fis Audio PC eine Lösung anbieten. Dem Entwickler vom HQPlayer ist es mit der 5. Generation gelungen, trotz verbesserter Leistung die Rechenlast zu reduzieren.

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