20 oder 24 bit d/a-wandeln ?

[storchi 0]

hallo an alle,

 

auf einer cd ist die musik in 16 bit gespeichert. was macht ein

cd-player mit 20 oder 24 bit d/a-wandler ? sind das nicht zu viele

bits ? bitte erklärt es doch einem halbleien wie mir einmal.

 

vielen dank im voraus.

 

storchi

 

 

[Trancemeister 2]

LETZTE BEARBEITUNG am: 28-Feb-03 UM 17:40 Uhr (GMT) [p]Hallo "halbleie" Storchi!

 

Deine Bedenken sind absolut begründet: Das sind 4 bis 8 Bit zuviel!! :+

 

 

Dir ein fröhliches Wochenende

Michael

 

 

[agentlost 0]

Hallo Storchi, hallo Forum,

 

da bei diesem Thema wohl niemand so richtig anbeissen will, möchte ich versuchen, ebenfalls als Halblaie etwas Verwirrung ins Dunkel zu bringen:

 

Das CD-Audio-Format ist vor über 20 Jahren (!) durch Sony/Philips festgelegt worden auf eine Abtastfrequenz von 44100 Hz = 44,1 KHz mit einer Quantisierung von 16 Bit. Das heisst, dass alle 44100 mal pro Sekunde eine Stichprobe (Sample) des augenblicklichen Spannungswertes des zu beschreibenden Audiosignals genommen wird. Daher nennt man das Samplingfrequenz.

 

Da die Datendefinition in der Digitaltechnik mit Nullen und Einsen (Licht an/Licht aus, Pit/Land, ja/nein, 0/1 etc.) nach dem binären System funktioniert, gibt es also zwei Schaltzustände. Daher ist die "2" die magische Basis aller nachfolgenden Berechnungen.

 

Der ermittelte Augenblickswert des Signales wird bei einer 16 Bit Quantisierung mit einem Raster von 2^16 = 65536 Stufen von leise nach laut in seinem Verlauf beschrieben. Der theoretisch maximal nutzbare Dynamikumfang beträgt hierbei von digital Null (absolute Stille) bis zur maximalen Vollaussteuerung (Volle Dröhnung) rechnerische 65536 log x 20 = 96,3 dB. Der real erreichbare Dynamikumfang wird hierbei jedoch durch das Rauschen der nachfolgenden analogen Filter/Verstärkungstufen reduziert, jetzt aber grosszügig ausser acht gelassen.

 

Nach einiger Zeit keimte jedoch der Wunsch auf, das Signal genauer, in einem feineren Raster beschreiben zu wollen. Doch was Tun? Das Format (44,1 KHz / 16 Bit) war definiert, das Geschäft mit den Audio-CD´s lief wie geschmiert. Ein neues Format konnte nicht am Markt platziert werden.

 

Also ging man dazu über, in den den D/A-Wandlern vorgeschalteten Digitalfiltern neben anderen Funktionen die Samplingfrequenz zunächst mit dem Faktor 4, später mit 8 zu multiplizieren. Also zu Oversamplen. Nun wird das Signal alle 44,1 x 8 = 352,8-tausend mal pro Sekunde (176,400-tausend mal bei 4x OS) gesamplet.

Das Raster verfeinert sich dadurch bei 8xOS auf 2^16 x 2^8 = 16777216 Stufen. Diese Summe entspricht dem Wert von 2^24, daher ist jetzt ein wesentlich feiner abgestuftes 24 Bit Signal entstanden. Das Problem ist jedoch, das der Wert der dazwischengerechneten Samples interpoliert wurde, also anhand des vorangegangenen und darauffolgenden Wertes in seiner Höhe errechnet.

Ohne eben zu wissen, wie der in Natura aussah. Aber in der Praxis funkioniert das recht gut: Zeichne mal mit Bleistift eine punktierte Kurve, bei der Du dann jeweils dazwischen genau auf halber Höhe neue Punkte setzt...

Der maximale Dynamikumfang beträgt jetzt 2^24 log x 20 = 144 dB mit o.a. Einschränkungen.

 

Jetzt weiss ich nicht genau, ob es nach 4x (=20 Bit) mit Einführung des 8x Oversampling auch schon genug Rechenpower in den Digitalfiltern bzw. den D/A-Wandlern gab, um die immerhin mehr als 16 Mio Stufen der 24 Bit Quantisierung in Echtzeit zu berechnen. Ich glaube nicht, und denke, dass man daher die letzten 4 Bit einfach abgeschnitten (Truncating)hat. Das Ergebnis der so entstandenen 20 Bit-Quantisierung mit 2^20 = 1048576 Stufen bedeutet immerhin eine Rechenerleichterung um den Faktor 16. Der theoretisch maximale Dynamikspielraum beträgt dann mit o.a. Einschränkungen übrigens 2^20 log x 20 = 120,4 dB.

 

So, hoffe, dass diese Antwort Dich zunächst mal zufrieden gestellt hat. Wenn noch jemand Lust hat, das Upsampling, Bitstream, Mash, oder das in diesem Zusammenhang interessante Dithering zu erklären, oder o.a. Ergüssen sonst noch etwas hinzuzufügen, dann ran an den Speck.

Hatte N8-Dienst und muss in die Heia...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[Jakob 0]

Hi agentlost,

 

"Das Problem ist jedoch, das der Wert der

dazwischengerechneten Samples interpoliert wurde, also

anhand des vorangegangenen und darauffolgenden Wertes in

seiner Höhe errechnet.

Ohne eben zu wissen, wie der in Natura aussah. Aber in der

Praxis funkioniert das recht gut: Zeichne mal mit Bleistift

eine punktierte Kurve, bei der Du dann jeweils dazwischen

genau auf halber Höhe neue Punkte setzt... "

 

Theoretisch funktioniert die Interpolation in diesem Fall absolut verlustfrei (deswegen wäre die vorgschlagende lineare Interpolation auch eine ziemliche Verfälschung), denn darin besteht gerade der Witz der Abtasttheorie.

Praktisch muß man aufgrund der Filterbeschränkungen mit einigen Abweichungen leben. Moderne IC leisten da zumindest laut Datenblatt allerdings erstaunliches.

 

"Der maximale Dynamikumfang beträgt jetzt 2^24 log x 20 = 144

dB mit o.a. Einschränkungen."

 

Solange man diverse Dithermöglichkeiten/Noiseshaping/Verfälschungen außer Acht läßt, hat sich durch das Oversampling am Informationsgehalt noch nichts geändert.

 

Sinn und Zweck der Übung war es, die notwendige steilflankige Filterarbeit weitgehend in ein Digitalfilter zu verlegen, daß preiswerter und langzeitstabiler arbeitet. Allerdings entstehen bei der Digitalfilterung Wortbreiten, die größer als 16 Bit sind; einfaches Kürzen hätte zu Signalverfälschungen geführt, also wurden 20 Bit (heute noch einen Schritt weiter 24 Bit) an das Wandler-IC weitergereicht.

 

Soll heißen, wenn das Wandler-IC mehr als 16 Bit verarbeiten kann, entfällt die Schwierigkeit des Kürzens.

Mehr Bits lassen sich natürlich auch immer besser verkaufen.

 

Grüsse

 

[agentlost 0]

Hallo Jakob,

 

vielen Dank für Deine Ergänzung zu diesem Thema. In der Tat ist es so, dass einmal verlorengegangene Details im Kurvenverlauf nie wieder rekonstruiert werden können. Wech ist wech.

 

Allerdings ist der Kurvenverlauf eines errechneten 20 - oder 24 Bit Signales in sich dann doch wesentlich geschmeidiger und weniger grobrasterig als das grobschlächtige 16´er "Original".

Natürlich muss man bei allem auch das Gesamtergebnis, sprich den gesamten Player bzw. externen Wandler, betrachten. 24 Bit heisst nicht immer automatisch, dass das fertige Gerät auch besser ist.

 

 

Wenn man die Datenblätter zu z.B. BB DF1702/1704 oder zu NPC SM8542/5843 betrachtet, stellt man fest, dass diese Filter in der Tat eine sehr gute bis hervorragende Dämpfung von über 110 dB im Stoppband haben. Sie knallen jedoch bei 8fs alle wieder hoch. Natürlich kann man ein nach wie vor erforderliches Analogfilter wesentlich flacher (und/oder mit gehörigem Sicherheitsabstand zum Audiobereich) auslegen als damals bei den ersten Playern.

Das kann dem Klang nur dienen.

 

 

In übrigen ist dieses Thema derart komplex, dass diese paar Postings wohl für eine umfassende Betrachtung kaum ausreichen werden...

 

Im Augenblick liegt der Schwerpunkt eh auf der Wiedergabeseite, 24 Bit im Studio sind eine andere Baustelle.

 

Wer möchte sich denn mal über das Upsampling auslassen?

 

Also, schönes Wochenende noch, alle Mann...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[Jakob 0]

Hi Agentlost,

 

"Allerdings ist der Kurvenverlauf eines errechneten 20 - oder

24 Bit Signales in sich dann doch wesentlich geschmeidiger

und weniger grobrasterig als das grobschlächtige 16´er

"Original"."

 

Die "neuen" Werte basieren auf den alten, die nur 16-Bit Präzision hatten, deswegen sollte man erwarten, daß die "neue" Kurve, trotz schöneren Aussehens, keine Vorteile hat (denn,nach Shannon, genügte bereits die alte unseren Anforderungen).

 

"Natürlich muss man bei allem auch das Gesamtergebnis, sprich

den gesamten Player bzw. externen Wandler, betrachten. 24

Bit heisst nicht immer automatisch, dass das fertige Gerät

auch besser ist."

 

Der verwendete Wanderbaustein ist nur eine Teil des Ganzen, aber moderne ICs erreichen inzwischen ein Niveau, das tatsächlich zwischen 18 und 21 Bit liegt, und genügen somit den eigentlichen 16-Bit- Anforderungen auch besser als die ältere Generation.

 

"enn man die Datenblätter zu z.B. BB DF1702/1704 oder zu NPC

SM8542/5843 betrachtet, stellt man fest, dass diese Filter

in der Tat eine sehr gute bis hervorragende Dämpfung von

über 110 dB im Stoppband haben. Sie knallen jedoch bei 8fs

alle wieder hoch."

 

Liegt in der Natur der Sache.

 

"Natürlich kann man ein nach wie vor

erforderliches Analogfilter wesentlich flacher (und/oder mit

gehörigem Sicherheitsabstand zum Audiobereich) auslegen als

damals bei den ersten Playern.

Das kann dem Klang nur dienen."

 

Ja.

 

"Wer möchte sich denn mal über das Upsampling auslassen? "

 

Es gibt prinzipiell keinen Unterschied zwischen Oversampling und Upsampling.

Die Schwierigkeit in der praktischen Realisierung liegt in den bei ungeradzahligen Vielfachen (z.B. 96kHz/44,1 kHz) auftretenden grossen Filterlängen, die zunächst in Echtzeit nicht zu relasieren waren, und deshalb durchaus Signalverfälschungen erwarten liessen.

Clevere moderne Ansätze haben die Lage etwas entschärft, aber ein wirkliches Argument für Upsampling (im CD-Spieler) ist mir noch nicht bekannt.

(Upsampling im Sinne der ungeradzahligen Vielfachen im Gegensatz zu Oversampling mit geradzahligen Vielfachen)

 

Grüsse