Audio Basis - articles about audio
If you buy "AuI ConverteR PROduce-RD" (2023/12.x version) from 24 August 2023 to 24 October 2023, you will get free update to version 2024 (13.x) after its release.
Также прочтите DSD vs FLAC (на русском) >
1. Параметры DSD
| Аббревиатура | Direct Stream Digital |
|---|---|
| Метод кодирования аудио данных | сигма-дельта модуляция (читайте подробности и смотрите видео) |
| Битовая разрядность | 1 бит или выше (читайте подробности о качестве звука) |
| Частота дискретизации | DSD 64 (2.8 МГц), DSD 128 (5.6 МГц, double), DSD 256 (11.2 МГц, quad), etc. (читайте подробности) |
| Количество каналов | Стерео и многоканальный |
| Носители | SACD оптический диск, включая hybrid SACD (с CD-аудио слоем), компьютерные файлы [SACD ISO (риппинг альбомов с SACD) и DSF, DFF, CUE+DSF/DFF] (читайте подробности) |
| Спецификация | "Scarlet book" (1999) |
| Использование | Производство музыки, домашнее hifi/hiend аудио |
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
Читайте DSD или FLAC [Сравнение, Инфографика, Объяснение] >
3. Частоты дискретизации
DSD формат использует стандартный ряд частот дискретизации основанный на 44100 Гц:
- 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.
Битовая глубина
Увеличение битового разрешения уменьшает шумы квантования (шумы ошибки квантования).
Нойз-шейпинг
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
Частота дискретизации
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.
Resume
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.
Читайте о DSD vs DSF vs DFF >
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
- Сигма-дельта модуляция реализована как оптический диск SACD (Super Audio CD).
- Этот же вид модуляции содержится в файлах DSF, DFF, SACD ISO (SACD образ диска).
- 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 >
Список конвертеров (конвертируют все или некоторые виды DSD файлов [DSF, DFF, SACD ISO])
- 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.
Читайте статью DSD против DSF против DFF >
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):
- Музыка в формате DSD c сайта #1
- Музыкальные семплы DSD скачать c сайта #2
- Простые тестовые сигналы (dsf)
Посмотрите еще больше ресурсов DSD загрузок >
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.
Автор: Юрий Корзунов, разработчик в Audiophile Inventory
Читайте еще об 1-битном формате:
Ссылки
- SACD ISO ripping (way #1)
- SACD ISO ripping (way #2)
- SACD ISO ripping (way #3)
- DoP specification
- DSD64 DSD128 DSD256 DSD512 DSD1024 | What's Better?
