DSD формат аудио | Простое объяснение | Прочтите это сейчас >

Direct Stream Digital является обним из аудиофильских форматов высокого разрешения (high resolution audio). Он был создан для улучшения динамического диапазона CD-аудио в слышимой частотной области звука.

Читайте далее о вопросах качества звука (шум, битовая глубина, полоса, частота дискретизации DSD audio по сравнению с PCM).

2. 1-бит и шум

Как правило, этот формат имеет битовую глубину 1 бит. Поэтому уровнень шума значителен из-за ошибок квантования.

Для снижения уровня шума в низкочастотной слышимой области используется нойз-шейпинг. Нойз-шейпинг (noice shaping, управление формой спектра шума) - это перенос энергии шума из слышимой частотной области в область ультразвука.

Нойз-шейпинг (НШ) спектра 1-битного сигнала. Сигма-дельта модуляция

В левой части изображения спектр шума имеет уровень соизмеримый с уровнем 1-битного музыкального сигнала. Устройство (или цифровая обработка), называемое сигма-дельта модулятор, "выдавливает" энергию шума из слышимой частотной области 0 . 20 кГц в область ультразвука.

Когда такая 1-битная запись проигрывается, низко-частотный фильтр вырезает "усиленный" высокочастотный шум.

DSD DAC (декодер , демодулятор)

Таким образом, уровень шума 1-битного сигнала после нойз-шейпинга (сигма-дельта модуляции) становится сравнимым с уровнем шума мультибитного сигнала PCM (импульсно-кодовая модуляция).

То есть 1-битная сигма-дельта модуляция может иметь разрешение аудио одинаковое с мультибитным сигналом. Читайте подробности и смотрите видео здесь

3. Частоты дискретизации

• DSD64 = 44100 * 64 = 2'822'400 Гц = 2.8 МГц
• DSD128 = 44100 * 128 = 5'644'800 Гц = 5.6 МГц
• DSD256 = 44100 * 256 = 11'289'600 Гц = 11.3 МГц
• DSD512 = 44100 * 512 = 22'579'200 Гц = 22.6 МГц
• DSD1024 = 44100 * 1024 = 45'158'400 Гц = 45.2 МГц
• и т. д.

Также в качестве основы может быть использовано 48000 кГц. С технической точки зрения не существует ограничения на частоту дискретизации сигма-дельта модулированного сигнала. Но возможно возникновение проблем с совместимостью.

4. Перегрузка и устойчивость

Когда разрабатывается сигма-дельта модулятор, инженеры обращают особое внимание на:

• уровень шума в слышимом звуковом диапазоне и
• устойчивость к перегрузке.

Для решения этих проблем разработчики могут варьировать:

• битовой глубиной,
• частотой дискретизации,
• нойз-шейпингом.

Эти параметры должны рассматриваться в связи друг с другом.

Увеличение битового разрешения уменьшает шумы квантования (шумы ошибки квантования).

Нойз-шейпинг "выталкивает" энергию ошибки квантования из слышимого диапазона.

Для "выталкивания" большего количества энергии нужно более крутой нойз-шейпинг.

Более крутой нойз-шейпинг увеличивает вероятность срыва стабильности работы сигма-дельта модулятора при перегрузке на входе. Когда модулятор в нестабильном состоянии, на его выходе отсутствует сигнал или генерируются колебания. После срыва стабильности модулятор должен быть принудительно перезапущен.

Устойчивость сигма-дельта модулятора к перегрузке

Более высокая частота дискретизации уменьшает уровень спектра ошибки квантования. Потому, что энергия шума распределяется в более широкой полосе. Это позволяет использовать более пологий нойз-шейпинг.

Энергия - это площадь фигуры, заключенной между линеей спектра и горизонтальной осью в полосе 0 . [частота дискретизации]/2.

Частота дискретизации и уровень шума квантования

В правой и левой частях изображения площади фигур шума одинаковы. Но фигура, более растянутая по горизонтальной оси, дает более низкий уровень шума.

Увеличение частоты дискретизации позволяет снизить уровень шума в полосе слышимого звука. Это позволяет уменьшить крутизну нойз-шейпинга и увеличить устойчивость модулятора к перегрузке.

Мы можем видеть, что более низкий уровень шума и более высокая устойчивость модулятора к перегрузке на входе могут быть достигнуты разными путями.

Например, лучшее качество звука - это вопрос реализации нойз-шейпинга при имеющихся битовом разрешении и частоте дискретизации. Но, с другой стороны, возможно увеличить частоту дискретизации и/или количество бит для снижения ошибки квантования (уровня шума) без улучшения метода нойз-шейпинга.

5. DSD в цифрах

Профессиональные аудио модуляторы имеют уровень шума в слышимом звуковом диапазоне для частот дискретизации:

• DSD64 около -125 . -145 дБ (сравнимо с PCM 24 бит)
• DSD128 около -165 дБ (лучше, чем PCM 24 бит)
• DSD256 и выше около -170 . -200 дБ (сравнимо с PCM 32 бит)

Уровень шума в слышимом диапазоне почти не зависит от демодулятора. Но уровень шума должен быть максимально подавлен вне этой полосы. Так как ультразвуковой шум может привести к интермодуляционным искажениям.

6. DSD vs PCM

Direct Stream Digital (сигма-дельта модуляция) очень похожа на импульсно-кодовую модуляцию (PCM), но форма спектра уровня шумов квантования изменена для уменьшения уровня шума в звуковом диапазоне.

Также возможно применение нойз-шейпинга для обычной PCM. Но разница заключена в запасе полосы для "выталкивания" энергии шума из звукового диапазона.

DSD против PCM

PCM имеет меньший резерв полосы (выше звукового диапазона), чем сигма-дельта модуляция, и это обусловлено более высокой битовой глубиной и переходной полосой выходного фильтра ЦАП (цифрово-аналогового преобразователя).

Нойз-шейпинг также может быть использован и для импульсно-кодовой модуляции.

Таким образом, формат сам по себе не имеет преимуществ. Но его реализация может иметь различия в качестве звука.

Декодер сигма-дельта модуляции (демодулятор) является 2-позиционым (1 / -1) формирователем напряжения и фильтром низких частот. Он проще PCM демодулятора. Потому, что импульсно-кодовый демодулятор содержит либо резисторную матрицу для формирования напряжений (R2R) или цифровой сигма-дельта модулятор с 1-битным декодером. Таким образом у нас есть больше возможностей сделать DSD ЦАП (DAC) более дешевым и лучшим по качеству, чем мультибитный ЦАП.

Читайте подробности здесь >

Посмотрите статью с инфографикой DSD против FLAC >

Читайте статью о ЦАП >

7. Форматы сжатия DSD

1. Сигма-дельта модуляция реализована как оптический диск SACD (Super Audio CD).
2. Этот же вид модуляции содержится в файлах DSF, DFF, SACD ISO (SACD образ диска).
3. WAV, AIFF, FLAC контейнер с DoP-упакованным (DSD over PCM, DSD через PCM) содержимым.

SACD диск может быть конвертирован без потерь (losslessly) в SACD ISO файл [1], [2], [3].

SACD ISO файл может быть распакован без потерь в DSF или DFF файлы.

Читайте подробности о файлах DSF и DFF.

1-битные аудио файлы (DSF, DFF, SACD ISO) и диски могут быть сжаты по размеру с помощью метода DST (Direct Stream Transfer).

DoP - это открытый протокол, который позволяет запаковывать 1-битное аудио в мультибитный формат для совместимости с программами и аппаратурой [4]. DoP не может быть воспроизведен как обычный PCM.

Также 1-битное аудио может вещаться через сеть.

Несжатое DSD64 требует пропускную способность 2.7 Мбит/с = 44100 Гц * 64 / 1024 / 1024.

Источники, носители Direct Stream Digital

Также связка индексного файла CUE и DSF/DFF аудио файла может содержать 1-битный альбом.

8. DSD проигрыватели

Для вопроизведения DSD на компьютере используются программные аудио плееры. Они могут проигрывать один или несколько 1-битных форматов файлов. Аппаратные DSD проигрыватели могут проигрывать как оптические SACD диски, так и файлы DSF, DFF.

1-битные файлы могут быть воспроизведены непосредственно через DSD ЦАП/проигрыватель или конвертированы в PCM "на лету" для проигрывания с помощью PCM ЦАП. О конвертировании SACD читайте здесь

1-битное проигрывание может быть реализовано через специальный ASIO-драйвер (программные) под Windows, включая DoP (DSD over PCM) формат упаковки аудио (пример).

Оптический SACD диск может быть проигран на аппаратном плеере. Автор не располагает информацией о доступных SACD-приводах для обычных компьютеров, чтобы воспроизводить SACD оптические диски.

Стерео проигрыватель может на лету конвертировать (downmix) многоканальный звук в стерео. Как альтернатива, многоканальные файлы могут быть предварительно конвертированы в стерео. Это позволяет сэкономить ограниченное место на жестком диска портативного проигрывателя аудио (DAP). Даунмикс является обработкой с потерями. Его качество зависит от конкретной реализации.

Читайте еще об аудио плеерах здесь > и здесь >

9. DSD конвертеры

DSD конвертеры предназначены для:

• преобразования DSD в PCM,
• преобразования PCM в DSD,
• конвертации SACD ISO в DSD,
• преобразования SACD ISO в PCM,
• ресемплинг 1-битного аудио,
• изменение уровня громкости,
• нормализация уровня громкости,
• подавление щелчков на границах треков,
• другие обработки.

Прочитайте как работают DSD аудио конвертеры здесь >

• AuI ConverteR 48x44
• Audiogate
• dff2dsf
• iso2dsd
• JRiver
• Foobar2000
• TASCAM Hi-Res Editor

10. Редактирование DSD

Читайте основную статью о редактировании DSD >

DSD редактирование достаточно сложный процесс по причине модулирующего шума в области высоких частот. Нелинейные обработки могут привести к слышимым продуктам интермодуляционных искажений ультразвукового шума.

В настоящее время автор не располагает информацией о "естественной" (native) обработке аудио 1-бит (например: изменение уровня, ресемплинг и пр.) без конвертации 1-бит в мильтибитный формат и обратно. Кроме слияния/разрезания аудио файлов.

Редактирование DSD

PCM в данном контексте может быть рассмотрено, как "мультибитное DSD". Импульсно-кодовая модуляция не обязательно обозначает "24 бит / 352 кГц" и т.п. Автор рекоммендует использовать 32- or 64-bit float (с плавающей запятой) форматы. Рассматриваемый PCM содержит высокочастотный модуляционный шум. Но, для конвертирования этого "мультибитного DSD" в 1-бит необходима модуляция с нойз шейпингом.

Потери при редактировании с 1-бит/мультибит преобразованием примерно сравнимы с ресемплингом.

Звукозаписывающие студии могут распространять DSD записи без редактирования.

Также существует DXD формат. Это PCM (как правило, "24 bit / 352 kHz" и т.п.) с высокими частотами дискретизации, битовыми разрешениями и "наследственным" высокочастотным шумом DSD. К сожалению, этот шум может привести к слышимым продуктам нелинейных искажений. рекомендуется вырезать (фильтровать) этот шум перед нелинейными обработками.

Тестовая DSD музыка (скачать)

Формат DSD - скачать аудио семплы (музыка и тестовые сигналы):

1. Музыка в формате DSD c сайта #1
2. Музыкальные семплы DSD скачать c сайта #2
3. Простые тестовые сигналы (dsf)

Заключение

DSD - это 1-битный hi-fi формат аудио данных, основанный на сигма-дельта модуляции.

При одинаковый частоте дискретизации и битовом разрешении этот формат может иметь различное качество звука в зависимости от реализации модулятора и демодулятора.

DSD цифро-аналоговый преобразователь может быть реализован проще, чем PCM ЦАП. Это, потенциально, позволяет получить лучшее качество более простым способом.

DSD может быть редактирован через конверсию 1-бит в мультибит и обратно. Редактирование DSD имеет потери качества, кроме простого слияния/разрезания.