Direct Stream Digital

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Technologie
2.1 DSD-Wandler
2.2 Filter und Fehlerkorrektur
2.3 Signalverarbeitung
2.4 Medien und Wiedergabe
2.5 Datenreduzierung
2.6 Kopierschutz

3 Markt
3.1 Produkte und Kompatibilität
3.2 Hörvergleich
3.3 Marktsituation

4 Schlusswort

5 Quellenverzeichni

6 Erklärung

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Multi-Bit-PCM Wandlerstrecke (eigene Darstellung)

Abbildung 2: 1-Bit DSD-Wandlerkette (eigene Darstellung)

Abbildung 3: DSD-Signalform (vgl. Quelle 14)

Abbildung 4: Multi-Bit-DSD Wandlerkette (eigene Darstellung)

Abbildung 5: Schema Noise Shaping (eigene Darstellung)

Abbildung 6: Diagramm SBM (x in kHz, y in dB) (vgl. Quelle 6)

Abbildung 7: 1-Bit Signalverarbeitung (eigene Darstellung)

Abbildung 8: Dual-Layer-Hybrid-SACD (vgl. Quelle 13)

Abbildung 9: ECC-Block (vgl. Quelle 16)

Abbildung 10: SACD-Layer (vgl. Quelle 12)

Abbildung 11: Kodierungsschema (vgl. Quelle 14)

Abbildung 12: SBM Direct Downconversion (vgl. Quelle 14)

1 Einleitung

Vor fast 20 Jahren wurde die CD-Audio als erster digitaler Massentonträger auf den Markt gebracht. Seitdem hat sich die Digitaltechnik in großen Schritten weiterentwickelt und ein beachtliches Sortiment an digitalen Tonträgerformaten existiert:

1983 CD (Compact Disc)
1985 DAT (Digital Audio Tape)
1992 DCC (Digital Compact Cassette) und Mini Disc
1997 DVD (Digital Versatile Disc)

1999 SACD (Super Audio Compact Disc)

Jedoch konnte keines dieser Formate die Audio-CD verdrängen, geschweige denn ersetzen. In den letzten Jahren haben sich jedoch die Anforderungen an Tonträger verändert: Surround Sound, Multimedia und nicht zuletzt höhere Qualitätsansprüche verlangen nach einem neuen Medium, welches weltweit die CD-Audio ergänzen und letztendlich ablösen kann.

Während sich die Festplatte im Computer klammheimlich als neue Konkurrenz hervorgetan hat, ist die Industrie uneinig und unsicher, wagt es nicht für die Masse zu produzieren. Obwohl die Produkte schon bei Fuß stehen, hat noch niemand den Versuch, die CD-Audio vom Markt zu fegen, ernsthaft gewagt.

Erinnern wir uns an die Schwierigkeiten die man zum Beispiel mit DAT, DCC oder MD hatte, so mag uns eine gewisse Vorsicht der Verantwortlichen einleuchten, aber das allein kann nicht der Grund sein, warum neue Technologien nicht den Weg auf den Markt finden.

Die DVD-Video hat in den Videotheken bereits den Siegeszug gegen die antiken VHS-Bänder angetreten. Es sollte also ein leichtes sein, durch entsprechende Kompatibilität dem Konsumenten die DVD-Audio gleich mit auf den Weg zu geben. Aber neben den Kinderkrankheiten die das Produkt an sich mitbringt, schickt sich auch die Konkurrenz an, die CD-Audio zu beerben.

Mit der Einführung der Super-Audio-CD (SACD) 1999 geht der Firmen Verbund Sony/Philips sogar einen Schritt weiter und ergänzt die gängige PCM-Kodierung um das Direct-Stream-Digital-Verfahren (DSD). Technisch gesehen handelt es sich hierbei sogar um eine Vereinfachung und die Hersteller scheuen nicht davor zurück, Parallelen zur analogen Aufnahmetechnik als Verkaufsargument zu verwerten.

Die vorliegende Facharbeit soll über die technischen Unterschiede zwischen DSD und den etablierten Verfahren, vorrangig PCM, informieren und sich mit den daraus resultierenden tontechnischen Bezügen auseinandersetzen. Eine Produktübersicht für Konsumer- und Profibereich, soll durch Praxisberichte und eigene Erfahrungen ergänzt werden. Schließlich soll die aktuelle Marktsituation ausgewertet und eine Einschätzung über die Zukunft von DSD abgegeben werden.

2 Technologie

2.1 DSD-Wandler

Wie bereits angedeutet besteht die Idee des DSD-Wandlers, sowohl analog/digital als auch digital/analog, aus einer Vereinfachung der PCM-Technologie.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Multi-Bit-PCM Wandlerstrecke (eigene Darstellung)

Die Erkenntnis, dass sich die Ausgangs-Impulse der heute üblichen Delta-Sigma-Modulatoren (DS) auf beiden Seiten der Wandlerkette gleichen, veranlasste die Entwickler, auf die zwischenliegenden Komponenten zu verzichten. Das Signal wird im 1-Bit-Format dem DS-Modulator entnommen und mehr oder weniger direkt an die analogen Ausgangsfilter durchgereicht. Da es hinter dem Modulator nur noch zwei mögliche Ausgangsamplituden gibt, werden Dezimationsfilter, Oversamplingfilter und der DS-Modulator im D/A-Wandler überflüssig.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: 1-Bit DSD-Wandlerkette (eigene Darstellung)

Allerdings wird diese simple Theorie so nicht in die Praxis umgesetzt. Wir erinnern uns, das höhere Bit-Auflösungen in der PCM-Technologie einen besseren Rauschabstand zur Folge haben. Da wir es direkt nach dem Wandler mit ungefilterten 1-Bit-Impulsen zu tun hätten, die nur den Zustand 0 oder 1 beschreiben, könnten geringe Schwankungen des Abtasttaktes (Jitter), die einen falschen Amplitudenwert verursachen, zu einem sprunghaften Anstieg des Rauschpegels im gesamten Spektrum führen. Signaltheoretisch entspricht der Jitter-Effekt einer Modulation mit unendlichem Spektrum, so dass er auch bei einer sehr hohen Abtastrate (siehe unten) Auswirkungen auf das Audioband hat.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: DSD-Signalform (vgl. Quelle 14)

Man besinnt sich also wieder des Bewährten und kombiniert einen 4- bis 5-Bit-Modulator mit einem 1-Bit Requantisierer, um ein Multi-Bit-Signal auf das DSD-Format zu reduzieren. Dadurch werden dem Signal Rauschen und Verzerrungen hinzugefügt (siehe 2.2) und somit wird der Einsatz von Filtern, diesmal auf digitaler Ebene, wieder notwendig, bevor das Multi-Bit-Signal rekonstruiert werden kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Multi-Bit-DSD Wandlerkette (eigene Darstellung)

Um eventuelle Nichtlinearitäten zu umgehen, die sich beim Einsatz von Multi-Bit-Komparatoren ergeben, werden gleich mehrere Wandler in den einzelnen Bausteinen eingesetzt, welche das Signal per Zufallsprinzip zugeteilt bekommen. Unregelmäßigkeiten der Einzelwandler werden dadurch „verschmiert“ und treten nur noch als Rauschen auf, wodurch sich der Störabstand verbessern lässt.

Der weitere maßgebliche Faktor in der digitalen Tontechnik, die Abtastrate, entspricht bei DSD 2,8224 MHz, also dem 64fachen einer CD-Audio und dem 14fachem einer DVD-Audio. Es können also Frequenzen verarbeitet werden, die weit außerhalb des hörbaren Bereiches liegen, wodurch auch die Störleistung auf ein breiteres Band verteilt wird. Durch Rauschformung (Noise Shaping, siehe 2.2) können diese Störungen überwiegend in den Ultraschall-Bereich verlagert werden.

2.2 Filter und Fehlerkorrektur

Die Kombination von Requantisierungsstufe mit Noise Shaper gleicht funktionell dem DS-Wandler und ist prinzipiell auch in der PCM-Technologie einsetzbar. Ein Manko der herkömmlichen Wandlertechnik besteht darin, dass Quantisierungsfehler ein gleichmäßiges spektrales weißes Rauschen verursachen. Dem begegnet man, indem man dem Signal vor der Quantisierung ein statistisch unkorreliertes Rauschen (Dither) hinzufügt. Im Idealfall sollte nun ein verklingendes Signal ohne hörbare Verzerrungen im Rauschteppich untergehen, was bei minderwertigen Systemen nicht immer der Fall ist. Bei DSD liegt ein Problem in der Dither-Amplitude, die normalerweise der kleinsten Amplitudenstufe (Least Significant Bit) eines Digitalsystems +/-1 entspricht. Bei einem 1-Bit-System käme dies einer Übersteuerung gleich, so dass man mit geringeren Dither-Amplituden arbeiten muss, was wiederum Einbußen bei der Bekämpfung von Quantisierungsfehlern und eine Abhängigkeit des Rauschteppichs vom Eingangssignal mit sich bringt.

Der Vorteil eines Noise Shapers liegt in der Fehlerrückkopplung, bei der Quantisierungsfehler, entstanden durch Addition von Dither und Kürzung der Wortlänge auf 1 Bit, über ein Filter wieder vom Eingang abgezogen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schema Noise Shaping (eigene Darstellung)

Ein Noise Shaping erster Ordnung entspricht quasi einem Delay des Abtasttaktes, wodurch das Quantisierungsrauschen in bestimmten Frequenzbereichen abgesenkt wird. Grundsätzlich jedoch wird Energie zugeführt und daher nimmt insgesamt gesehen die Rauschenergie zu. Das sogenannte Inband-Noise Shaping vermindert durch eine Filterung mit bis zu sieben Ordnungen den Rauschpegel im Bereich größter Hörempfindlichkeit (um ca. 3 kHz).

Der von Sony konstruierte Noise Shaper SBM (Super Bit Mapping) ist ein digitales FIR-Filter mit 32,639 taps. Es kann bei einem Signal mit Vollaussteuerung (0 dB) das Rauschen unterhalb 2 kHz um bis zu 12 dB absenken, im Bereich ab 14 kHz wird bereits der 0 dB Wert überschritten, so dass gegen Ende des hörbaren Bereiches Werte erreicht werden, die einer Auflösung von 13 Bit entsprechen. Die gesamte Störleistung steigt dabei um 7,26 dB (siehe Quelle 6).

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Abbildung 6: Diagramm SBM (x in kHz, y in dB) (vgl. Quelle 6)

Ein weiteres Problem der Noise Shaper liegt in der Ungenauigkeit der Rechenoperationen. Bei unzureichendem Filterdesign kann es passieren, das Werte gerundet werden (bei einer Größenordnung von ca. 2-53) und somit verfälscht werden. Dieser Effekt, resultierend aus Grenzzyklen, kann durchaus hörbar werden, wenn zum Beispiel kein Eingangssignal anliegt, aufgrund von Rundung jedoch ein Signal ausgegeben wird. Diese Signale treten dann als Pfeiftöne („Birdies“) auf (siehe Quelle 4).

Auch ein Nebenprodukt des Noise Shapings sind die sogenannten Idle Tones, die als hochfrequente und hochpegelige Schwingungskomponenten, abhängig vom Eingangssignal, in Kombination mit einer Rauschkomponente, unabhängig vom Eingangssignal, auftreten. Es handelt sich also um Pegelspitzen des vom Noise Shaper unterdrückten Störsignals, hervorgerufen durch das Audio-Signal, die durch folgende Formel bestimmt werden können(siehe Quelle 4):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bei tieffrequenten Eingangssignalen können folglich „Peaks“ entstehen, die in den hörbaren Bereich hineinreichen, ein Phänomen, das übrigens auf vielen CDs zu finden ist (siehe Quelle 20).

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