Audio PC Oversampling

Oft wird behauptet, dass der Klang im DAC (Digital-to-Analog Converter) gemacht wird. Sicherlich auch, aber nicht nur. Der DAC profitiert sehr von einer audiophilen Aufbereitung der Musikfiles. Über eine Erläuterung wichtiger Begriffe setzen wir uns zum Schluss mit den Möglichkeiten des HQPlayers über klangbestimmende Einstellungen auseinander.

Rendern

Musikdateien liegen in Codecs vor, zum Beispiel FLAC (Free Lossless Audio Codec). Bevor die Musik dem DAC zugeführt werden kann, muss die Datei ausgepackt und in ein abspielbares Format PCM (Puls-Code-Modulation) oder DSD (Direct Stream Digital) decodiert werden. Dies findet in unserem Fall im Audio PC statt.

Abtastrate (Abtastfrequenz, Samplingrate)

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 20.05 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. Daraus wird klar, warum für die CD eine Abtastrate von 44.1 kHz gewählt wurde. Dies ermöglicht die (theoretisch) verlustfreie Rekonstruktion der hörbaren Frequenz bis 22,05 kHz. 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.

Bei einer höheren Abtastrate wird demnach im Vergleich zu einer CD die reproduzierbare Frequenz erhöht, weil der Anti-Alias-Filter einfacher ausfallen kann. Daraus folgt zugleich, dass HiRes nicht etwa zu einer feinstufigeren Abtastung des Signals führt, wie oft behauptet wird, sondern immer nur die Bandbreite erhöht.

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 DSD1024 verarbeitet werden.

Gegenüberstellung der Bandbreite von PCM und DSD:

PCM Frequenzgänge
PCM 44.1: 2 Hz -20 kHz 
PCM 48 : 2 Hz -22 kHz
PCM 96 : 2 Hz -40 kHz
PCM 192 : 2 Hz -80 kHz
PCM 384 : 2 Hz -100 kHz
PCM 768 : 2 Hz -120 kHz
DSD Frequenzgänge

DSD  64: 2 Hz -44 kHz
DSD 128: 2 Hz -60 kHz
DSD 256: 2 Hz -80 kHz
DSD 512: 2 Hz -100 kHz
DSD 1024: 2 Hz -120 kHz

Bei einem Hörvergleich zwischen PCM und DSD soll die gleiche Bandbreite verglichen werden.
Also zum Beispiel PCM 96 mit DSD 64.

Bittiefe (Auflösung, Wortlänge)

Die Wortlänge/Wortbreite in Bit (Bit Depth) codiert die Lautstärke des analogen Signals (Laut/Leise).  1 Bit entspricht 6 dB Pegeldifferenz. 1 Bit umfasst somit immer einem Lautstärkebereich (Dynamik) von 6 dB. 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.

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. 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.

Oversampling / Formatumwandlung

Mit dem Oversampling wird eine Quelle mit einer niedrigen Abtastrate mit einer höheren Abtastrate ausgegeben. Mit dem Oversampling von einer typischen CD (44.1 kHz/16 bit) auf Hi-Res (zum Beispiel 88.2kHz/16bit) kann der Tiefpassfilter zur Vermeidung von Aliasing weniger steilflankiger ausfallen.

Eine weitere Besonderheit stellt die Formatumwandlung von PCM auf DSD dar. Dabei kommt es nicht auf das Quellformat an, sondern auf das Format, welches der DAC erhält. Es gibt sogar einige Hersteller, die das im DAC selbst machen. Zum Beispiel Ed Meitner DACs oder PS Audio DirectStream DACs rechnen eingehendes Material auf DSD um. T+A empfiehlt dagegen die Nutzung eines Audio PCs, weil die Rechenleistung viel besser ist als in einem DAC. DSD wird von vielen aufgrund seines analogen Klangs sehr geschätzt.

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.

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.

Die Beeinflussung auf den Klang sind verblüffend. Es gibt Filter, welche

– apodisierend (fehlerkorrigierend) und nicht-apodisierend sind,
– andere Wirkungen auf Räumlichkeit (Space) und Transienten haben,
– verschiedene Samplingraten (CD oder HiRes) bevorzugen,
– geringe oder hohe Rechenleistungen erfordern und
– sogar unterschiedliche Musik-Genres unterstützen.

Die Filterauswahl hängt in erster Linie vom Inhalt (meistens vom Genre) und den persönlichen Vorlieben ab. Die enorme Vielfalt der Einstellungsmöglichkeiten verwirrt viele Nutzer. Im Folgenden wird eine kurze Einordnung versucht.

Apodisierende Filter

Der Apodisationsfilter ersetzt die Impulsantwort des ursprünglichen Dezimationsfilters durch einen anderen. Dies ermöglicht das Ändern des Zeit- und Frequenzbereichsverhaltens des ursprünglichen Filters. Die Apodisationsfilter bieten generell eine konsistentere Leistung, indem Fehler des ursprünglichen Dezimationsfilters korrigiert werden und die Impuls- / Frequenzantwort erhalten bleibt. Ein möglicherweise wichtigerer Punkt ist das Bereinigen des Aliasing-Bands bei den höchsten Frequenzen. Abhängig von den ADC / Mastering-Werkzeugen kann es zu einem gewissen Aliasing-Band am oberen Rand des Frequenzbands kommen. Dieser Verzerrungsteil soll nicht reproduziert werden. Aus diesem Grund wurden viele Oversampling-Filter im HQPlayer apodisiert.

Wenn ein nicht-apodisierenden Filter verwendet wird, hängen die Ergebnisse weitgehend davon ab, welche Art von Dezimationsfilter für den Quellinhalt verwendet wurde, da alle Fehler so sind, wie sie sind. 

Filter mit Wirkungen auf Räumlichkeit (Space) und Transienten und Musik-Genres

Die Gruppe der poly-sync-lp (linear phase) Filter verbessern die Räumlichkeit. Sie gehören zu den FIR-Filtern und wirken in der Time-Domain. Empfohlen für Klassik und für “in der realen Welt” aufgenommenen Musik (Konzerthalle). Eine Unterart davon sind die AsymFIR-Filter, welche sich besonders für Jazz/Blues eignen.

Die Gruppe der poly-sync-mp (minimum phase) Filter verbessern die Transienten. Sie gehören zu den MinPhaseFIR-Filtern und eignen sich besonders für Rock/Pop/Elektronik, sowie im Musikstudio aufgenommenes.

DSD Modulatoren

Mit der HQPlayer Version 4 wurde neue EC Modulatoren eingeführt. EC steht für “Extended Compensation”. Diese neuen Modulatoren bieten eine deutlich bessere Genauigkeit. Besonders gut in Kombination mit Filtern wie Poly-Sinc-Ext2 und Poly-Sinc-Xtr. Der Nachteil ist, dass die EC Modulatoren eine sehr hohe Rechenleistung benötigen. Entscheidend ist hier die Taktfrequenz , die für den EC-Modulator ASDM7EC und DSD 256 mindestens 4 GHz betragen soll.

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 sinc-M mit einer Million Tabs. Für die Formatumwandlung von PCM auf DSD 256 wird der hochpräzise Modulator ASDM7EC genutzt. Der Klang ist detailliert ohne Schärfen mit einer grandiosen Raumausleuchtung und sensationeller Instrumententrennung.