Read the simple explanations
×

Принцип работы сигма-дельта модуляции в аудио

Audio Basis - articles about audio

Сигма дельта модуляция в аудио высокого разрешения это однобитный (цифровой) поток 0 и 1, в котором кодируется аудио сигнал. Аудио данные в таком формате хранятся в файлах DSF, DFF и ISO [1-bit HD audio].

В отличие от мультибитной (16-, 24-, ... бит) модуляции с низкими частотами дискретизации (44, 48, ... кГц),

дельта сигма модуляция имеет сверхвысокие частоты дискретизации

1. 44 кГц  x64(D64)  = 2.8 МГц,

2. 44 кГц x128(D128) = 5.6  МГц.

Таким образом компенсируется потеря информации при снижении разрядности семпла (отсчета) с 16 или 24 бит до 1-го.

Принцип работы аудио сигма дельта модулятора

Мы будем рассматривать конвертацию мультибитного аудио сигнала PCM (CD audio, аудио файлы WAV, FLAC, AIFF,...) в 1-битный аудио сигнал (файлы DSF, DFF) с помощью дельта-сигма модуляции.

Как устроен сигма дельта модулятор аудио

Устройство дельта сигма модулятора аудио


1. Дельта-сигма модулятор сначала интегрирует (накапливает) мультибитный (входной) сигнал (пропускает через интегратор [НЧ-фильтр]).

2. Многоуровневый PCM с выхода НЧ-фильтра (интегратора) дробиться в компараторе на 1 и 0 (больше нуля / меньше нуля). Это и есть дельта-сигма модулированный сигнал.

3. Для уменьшения ошибки формирования 1 и 0, дельта-сигма модулированный сигнал преобразуется в "аналоговый" (мультибитный PCM) и вычитается из входного сигнала (в сумматоре). Получается значение ошибки, корректирующее процесс интеграции, сильнее приближая 1-битный сигнал к истинному (входному).

4. На выходе дельта-сигма модулятора получается последовательность 1 и 0, спектр которой представляет собой полезный сигнал (в полосе 0 ... 20 кГц) плюс шум с уровнем порядка -47 дБ (для самого простейшего модулятора с частотой дискретизации 44100 Гц x 64).

Noise shaping
 

То есть если мы пропустим через фильтр НЧ (0 ... 20 кГц) эту последовательность 1 и 0, то мы выделим полезный сигнал. Но в спектральной области полезного сигнала (0 ... 20 кГц) будет присутствовать тот же шум -47 дБ. Что делает невозможным использование такого сигнала в области высококачественного аудио.


5. Чтобы уменьшить уровень шума в полосе 0 ... 20 кГц можно:

5.1. Повысить частоту дискретизации. Но это не очень эффективно - увеличение частоты дискретизации в 2 раза уменьшает шум на 6 дБ.

5.2. Применить нойс-шейпинг (noise-shaping). При использовании нойс шейпинга энергия шума максимально "выдавливается" за пределы полосы 0 ... 20 кГц. Теперь в этой полосе уровень шума порядка -145 дБ, что уже подходит для аудио высокого разрешения.

Как известно, ЦАП 1-битовой модуляции - это фильтр НЧ. Он и подавляет сконцентрированную при нойс-шейпинге энергию шума вне полосы 0 ... 20 кГц. Таким образом в полосе 0 ... 20 кГц мы и получаем высококачественный аудио сигнал.

Автор: Юрий Корзунов, 8 сентября 2014.

 

Для проведения экспериментов с дельта-сигма модуляцией можно использовать бесплатную версию аудио конвертера форматов файлов AuI ConverteR 48x44 для конвертации файлов PCM в DSF и обратно.