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].
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.
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
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).
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.