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

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 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.

Dafür gibt es Anti-Aliasing Filter (Tiefpassfilter), die bei einer 44.1 kHz Quelle sehr steil ausfallen müssen. Idealerweise außerhalb des Hörspektrums ab 20 kHz. 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 CD 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. Viele DACs führen deshalb ein internes Upsampling durch. Der Vorteil dies vom Audio PC durchführen zu lassen, besteht in den mutmaßlich besseren Algorithmen (je nach Software) und der höheren Rechenleistung. Bei der Nutzung des HQPlayers besteht eine sehr große Auswahl an Filtern allerhöchster Qualität. Der HQPlayer wendet die Filter erst bei der Ausgaberate (also nach dem Upsampling) an. Nur bei der Convolution (Faltung für die Raumakustik) setzt der Filter bei der Quellrate an. Quelle: Audiophile Style. Der DAC wiederum sieht die niedrige Quellrate gar nicht mehr, sondern nur noch das Audiosignal nach dem externen Upsampling.

Daraus folgt zugleich, dass eine höhere Abtastrate nicht etwa zu einer feinstufigeren Abtastung des Signals führt, wie oft behauptet wird, sondern die Bandbreite erhöht. Unabhängig davon können bestimmte Filter durch Interpolation Millionen Tabs hinzufügen, zum Beispiel der HQPlayer Filter „closed-form- 16M“ mit Interpolation von 16 Millionen Taps! Siehe: Audio PC HQPlayer Filtereigenschaften.

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:

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 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.

Formatumwandlung

Eine weitere Besonderheit stellt die Formatumwandlung von PCM auf DSD (oder umgekehrt) 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. Jüngst sogar der Linn Organik DAC, welcher mit dem selbst programmierten FPGA jedes digitale Signal vor der eigentlichen Wandlung auf 98.304 MHz hochrechnet. Das ist DSD 2048 (48kHz x 2048).

T+A empfiehlt dagegen die Nutzung eines Audio PCs, weil die Rechenleistung viel besser ist als in einem DAC. Im T+A SDV 3100 HV ist sogar die digitale Schnittstelle NAA (Network Audio Adapter) verfügbar, mit dem der HQPlayer mit seinen hochwertigen Modulatoren den DAC direkt ansteuern kann. 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. 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.