Audio PC Upsampling

Warum Upsampling im Audio PC besser ist

Oft wird behauptet, dass der Klang im DAC (Digital-to-Analog Converter) gemacht wird. Natürlich ist das so, aber nicht nur. Der DAC profitiert oft sehr von einer optimalen Aufbereitung der Musikfiles. Hintergrund dieser Überlegung ist, dass DACs ebenfalls eine digitale Signalverarbeitung durchführen, z. B. Oversampling, Sampling Rate Conversion, Noise Shaping und Dithering. Das DAC-interne Design kann von einer Zuspielung mit höheren Samplingraten zu besseren Ergebnissen kommen. Es kann natürlich auch anders herum funktionieren, also besseres Ergebnis bei Zuspielung mit niedrigerer Rate. Zusätzlich kann eine Begrenzung auf eine niedrigere Bitrate, z. B. auf 20 Bit statt 24 Bit, ebenfalls zu einer optimaleren Signalverarbeitung im DAC führen. Letztendlich soll die Auslagerung bestimmter Teile der Signalverarbeitung auf einen Audio PC den DAC in seinem Sweet Spot arbeiten lassen.

Das Upsampling beim T+A SD(V) 3100 HV

Folgend zitieren wir aus einem Text (übersetzt), welcher vom ehemaligen Leiter F&E (T+A 1989-2021) anlässlich der Vorstellung des T+A SD(V) 3100 HV DACs geschrieben wurde:

Die Umwandlung in Ultra-High-Rate-DSD kann auf viele Arten erfolgen, aber nur die allerbesten Algorithmen bringen eine optimale Leistung. Die für solche Algorithmen benötigte Rechenleistung ist extrem und kann am besten mit sehr leistungsstarken PCs (und GPU-Co-Processing) erreicht werden. 

Daher überlassen wir die Aufgabe der Konvertierung/Upsampling spezialisierten Programmen wie HQPlayer und konzentrieren uns darauf, eine bestmögliche D/A-Wandlung mit den ultrahochratigen DSD-Signalen durchzuführen, die vom Audio-PC geliefert werden. Außerdem ist es nur mit einem PC-basierten Upsampling möglich, die große Anzahl von Algorithmen zu unterstützen, wie es beispielsweise der HQPlayer tut. Dieser Ansatz ist auch sehr zukunftssicher, da sowohl die Upsampling-Software als auch die PC-Hardware einfach aufgerüstet werden können, wenn neue Algorithmen verfügbar werden und leistungsstärkere Prozessoren auf den Markt kommen. Ein solch einfaches Upgrade ist fast unmöglich, wenn die Konvertierung ein integraler Bestandteil des DAC ist.

Beim PCM-Upsampling sieht es etwas anders aus. Hier wird weniger Rechenleistung benötigt und das Upsampling kann gut integriert werden – wie es bei den T+A DACs der Fall ist. Aber auch mit PCM ist es möglich, das Upsampling extern durchzuführen und PCM 768 direkt an den DAC zu senden, wobei die interne Verarbeitung vollständig umgangen wird.

Quelle: Audiophilestyle.com

Unverbindliche Liste von NOS DACs

Wenn für das Upsampling Spezialgrogramme wie der HQPlayer eingesetzt werden, dann wird das beste Ergebnis mit DACs erzielt, die im NOS (Non Over Sampling) arbeiten können. Eine regelmäßig aktualisierte Liste NOS-fähiger DACs findest du hier: Which DACs bypass digital filtering? – Audiophile Style

Abtastrate (Abtastfrequenz, Samplingrate)

Die Abtastrate bestimmt den Frequenzbereich, also das hörbare Spektrum. Die analoge Amplitude muss über die digitale „0“ oder „1“ nachgebildet werden. Für PCM wird dabei die Amplitude zum Beispiel 44.100fach pro Sekunde (44.1 kHz) abgetastet. Die Bandbreite ist dabei auf die Hälfte, nämlich auf 22.05 kHz beschränkt. Grundlage ist das Nyquist-Shannon-Abtasttheorem. Dabei wird das Originalsignal mit einer Rate abgetastet, die mehr als doppelt so hoch wie die höchste im Signal vorkommende Frequenz ist. Wird das Abtasttheorem durch eine zu niedrige Abtastrate verletzt, so werden Frequenzanteile, die ursprünglich höher waren als die halbe Abtastrate (Nyquist-Frequenz), als niedrigere Frequenzen interpretiert, da für diese eine Unterabtastung stattfindet. Dieses unerwünschte Phänomen wird Alias-Effekt genannt.

Anti-Aliasing-Filter und Anti-Imaging-Filter

Technisch gesehen werden für das
– Downsampling: Anti-Aliasing-Filter und für das
– Upsampling: Anti-Imaging-Filter (auch bekannt als Rekonstruktionsfilter)
eingesetzt. Beide Filter basieren auf der Anwendung von Tiefpassfiltern, um unerwünschte Frequenzen zu entfernen.
Sowohl Anti-Aliasing- als auch Anti-Imaging-Filter begrenzen das Spektrum eines Signals auf einen Bereich, der innerhalb des Nyquist-Bereichs (halbe Abtastrate) liegt.

Ziel beider Filter ist es, Verzerrungen oder Störungen (Aliasing oder Imaging) zu minimieren, die durch Abtastung oder Rekonstruktion des Signals entstehen können.

1. Anti-Aliasing-Filter (beim Downsampling):
   • Verhindert, dass Frequenzen, die höher als die halbe Ziel-Abtastrate (Nyquist-Frequenz) sind, ins Frequenzspektrum des Signals “gefaltet” werden (Aliasing-Effekt).
   • Anwendung vor dem Reduzieren der Sampling-Rate (z. B. von 96 kHz auf 44,1 kHz).
   • Ein Tiefpassfilter wird angewendet, um alle Frequenzen oberhalb der Ziel-Nyquist-Frequenz zu entfernen.
   • Beispiel: Vor der Konvertierung eines Signals von 96 kHz auf 44,1 kHz wird ein Filter angewendet, der Frequenzen über 22,05 kHz abschneidet.

2. Anti-Imaging-Filter (beim Upsampling):
   • Entfernt sogenannte “Imaging-Artefakte”, die durch das Hinzufügen von Nullen zwischen den Abtastwerten entstehen (Zero-Order-Hold).
   • Diese Artefakte zeigen sich als Spiegelungen des Signals im Frequenzbereich oberhalb der ursprünglichen Nyquist-Frequenz.
   • Anwendung nach dem Erhöhen der Sampling-Rate (z. B. von 44,1 kHz auf 96 kHz).
   • Ein Tiefpassfilter wird angewendet, um die Frequenzen oberhalb der ursprünglichen Nyquist-Frequenz zu entfernen.
   • Beispiel: Nach der Konvertierung eines Signals von 44,1 kHz auf 96 kHz glättet ein Filter das Signal und entfernt Frequenzspiegelungen über 22,05 kHz.

Die Tiefpassfilter müssen bei einer 44.1 kHz Quelle sehr steil ausfallen. Idealerweise außerhalb des Hörspektrums ab 20 kHz. Die Nyquist-Frequenz beginnt bereits bei 22,05 kHz (halbe Abtastrate) und deshalb bleibt nur ein Frequenzband von 2,05 kHz für das Abrollen des Filters übrig. Je nach Implementierung im DAC kann die Dämpfung leider schon sehr früh einsetzen, was sich auch auf den Frequenzgang auswirkt.

So zeigt der SMSL VMV D2R Stereo DAC Test | Audio Science Review (ASR) Forum, dass ausgerechnet der voreingestellte Filter „D2r Slow“ (rote Linie) Spiegelfrequenzen durchlässt, weil er nur unzureichend dämpft. Der Filter „Fast 2“ fällt einigermaßen steil ab und dämpft mit -100 dB recht gut.

Da der Filter „D2r Slow“ zu früh einsetzt, wird der hörbare Frequenzgang beschnitten. Die Empfehlung lautet stattdessen den Filter „Sharp 2“ zu verwenden. Oder eben einen Filter vom HQPlayer. Schau auch hier: Die Filter im HQPlayer besser verstehen.

Bei einer höheren Abtastrate wird dagegen im Vergleich zu einer 44.1 kHz Quelle die reproduzierbare Frequenz erhöht. Der Anti-Aliasing Filter setzt erst weit im unhörbaren Frequenzspektrum ein und kann dadurch auch einfacher (flacher) ausfallen. Bei HighRes Audio ab 88.2 kHz ist das eine prima Sache. Denn die Nyquist-Frequenz beginnt erst bei 44.1kHz und der Filter muss daher nicht sehr steil sein.

Deshalb kann es sinnvoller sein, eine vorliegende 44.1 kHz Quelle auf das doppelte oder höher durch einen Audio PC hochzurechnen, damit der DAC nicht mehr viel vermasseln kann. Der Vorteil dies vom Audio PC durchführen zu lassen, besteht in der höheren Rechenleistung, welche bessere Algorithmen (je nach Software) erlaubt. Bei der Nutzung des HQPlayers besteht eine sehr große Auswahl an Filtern allerhöchster Qualität. Der DAC wiederum sieht die niedrige Quellrate gar nicht mehr, sondern nur noch das Audiosignal nach dem externen Upsampling.

Bei DSD ist dagegen die Abtastrate deutlich höher. Sie liegt bei mindestens 2.8224 MHz. Das entspricht dem 64-fachen (DSD64) der Abtastrate einer CD von 44.1 kHz. Eingeführt wurde das DSD Verfahren als Super-Audio-CD (SACD). In modernen DACs können mittlerweile Daten bis zu DSD 1024 verarbeitet werden.

Gegenüberstellung der Bandbreite von PCM und DSD:

Bei einem Hörvergleich zwischen PCM und DSD soll die gleiche Bandbreite verglichen werden. Also zum Beispiel PCM 192 mit DSD 256.

Bittiefe (Auflösung, Wortlänge)

Die Wortlänge/Wortbreite in Bit (Bit Depth) codiert die Lautstärke des analogen Signals (Laut/Leise).  1 Bit entspricht 6 dB Pegeldifferenz. Die CD mit 16 Bit ermöglicht 65.536 (2¹⁶) verschiedene Signalpegel zu erfassen. Eine CD mit 16 Bit x 6 dB erreicht 96 dB Dynamikumfang. HD (High Definition) mit 24 Bit x 6 dB erreicht theoretisch 144 dB Dynamikumfang. Der technische Stand begrenzt in der Regel die Auflösung auf bis zu 20 Bit = 120 dB.

HQPlayer empfiehlt bei einer unidirektionalen Schnittstelle wie S/PDIF, AES/EBU oder I²S die korrekte Anzahl von Bits in der Auswahl „DAC bits“ einzugeben. Wenn ein DAC an USB angeschlossen ist und eine andere als die 32- Bit-Eingangsauflösung hat, empfiehlt es sich außerdem, hier den aktuellen Wert einzustellen. Für Holo Audio und Denafrips R2R DACs wird empfohlen, Bits auf 20 zu setzen!

Eine große Bedeutung der Bittiefe liegt zum Beispiel in der Verwendung der Convolution (Faltung für die digitale Raumkorrektur) und in der digitalen Lautstärkteregelung. Hier soll die Bittiefe bei mindestens 32 Bit, besser 64 Bit liegen, damit durch genügend Headroom keine Informationen verloren gehen. Eine Erhöhung der Bittiefe ist unproblematisch, da sie die Abtastrate und damit die Rekonstruktion der Amplitude nicht beeinflusst.

DSD funktioniert anders, da nur 1 Bit bestimmt, ob der aktuelle Abtastwert der analogen Wellenform höher oder niedriger als der vorherige ist. Deshalb lassen sich DSD Dateien mit 1 Bit im Tonstudio nicht nachbearbeiten. Dieser Mangel wird durch die deutlich höhere Abtastrate kompensiert, siehe oben. Das hochfrequente Rauschen wird durch Noise Shaping herausgefiltert und ermöglicht einen Dynamikumfang von 120 dB.

Dithering

Bei PCM entstehen Quantisierungsfehler. Das Dithering beschreibt eine Methode, die diese Fehler abmildern kann. Diese Fehler treten sowohl bei der Digitalisierung als auch bei digitalen Rechenoperationen mit Signalen auf. Statt störender Verzerrungen entsteht ein weniger störendes gleichmäßiges Rauschen, das dem eines analogen Verstärkers ähnelt.

HQPlayer

Der HQPlayer ist ein hochwertiger Audio-Player für Windows, Linux und MacOS. HQPlayer bietet außerdem mehrere auswählbare hochqualitative Oversampling- und Downsampling-Algorithmen sowie auswählbare Dither-, Noise Shaping- und Modulator-Algorithmen. Die Auswirkungen von Filtern auf den Klang sind verblüffend. Siehe Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

Alle modernen DACs verwenden Oversampling und Delta-Sigma-Modulation, jedoch sind die Hardware-Implementierungen mehr oder weniger ressourcenbeschränkt. Oversampling und Delta-Sigma-Modulation mit höherer Qualität können durchgeführt werden, indem die in modernen PCs verfügbare enorme Rechenleistung genutzt wird.

DSD Modulatoren

Der HQPlayer bietet verschiedene Modulatoren für die Delta-Sigma-Modulation zur Auswahl an. Es ist in der Regel besser einen hochwertigeren Modulator zu verwenden als die höchste DSD-Rate. Diese Modulatoren benötigen je nach Auswahl eine sehr hohe Rechenleistung. Entscheidend ist eine hohe Taktfrequenz der CPU Kerne. Siehe Audio PC HQPlayer Modulatoren.

SQ (Soundqualität)

Je feinauflösender ein System ist, desto hörbarer ist die Qualität der Algorithmen. Unten im Bild ist ein Beispiel, wie ein von Roon gestreamtes Hi-Res FLAC-File mit 96kHz/24bit nativ an den HQPlayer gesendet wird. Der HQPlayer verwendet den hochwertigen Filter „poly-sinc-gauss-hires-mp“ mit extrem hoher Däpfung und optimalen Zeit-/Frequenzgang. Für die Formatumwandlung von PCM auf DSD 512 wird der hochpräzise Ein-Bit-Delta-Sigma-Modulator siebter Ordnung „ASDM7EC–super“ genutzt. Die durchschnittliche CPU-Auslastung von ca. 20% (im Bild 17,6%) ist für den fis Audio PC völlig unproblematisch zu bewerkstelligen.

Der Klang ist detailliert ohne Schärfen mit einer grandiosen Raumausleuchtung und sensationeller Instrumententrennung.