Ten artykuł na temat DSD vs PCM został odtworzony z archiwum edukacyjnego strony Yuri's Sample Rate Converter za jego uprzejmą zgodą. Wszelkie prawa autorskie należą do wspomnianej strony internetowej i jakiekolwiek powielanie poniższych informacji może być dokonywane jedynie za wyraźną zgodą Yuri Korzunova.
DSD i PCM są uważane za różne formaty plików audio, zgodnie z ogólną zasadą. Ja jednak uważam, że PCM i DSD to tak naprawdę dwie strony jednego zjawiska.
Słowniczek
DSD (sigma-delta modulation) jest 1-bitowym formatem audio, który wykorzystuje kształtowanie szumu w celu zwiększenia zakresu dynamiki.
PCM (pulse code modulation) jest wielobitowym formatem muzycznym, który wykorzystuje liczbę bitów do zwiększenia zakresu dynamiki.
Zakres dynamiki to różnica pomiędzy maksymalnym a minimalnym dopuszczalnym poziomem transmitowanego sygnału.
Maksymalny poziom sygnału powoduje przeciążenie.
Minimalny poziom sygnału jest mniejszy lub równy poziomowi szumu kwantyzacji (a.k.a. noise floor). Sygnał "pod" wysokim poziomem szumu powoduje, że słuchacz źle odbiera jakość dźwięku, szczególnie pod względem czystości.
Uproszczony zakres dynamiki
Uproszczony zakres dynamiki to różnica między maksymalnym poziomem a minimalnym poziomem podłogi szumów.
Ostrzeżenie: Nie jest to technicznie poprawna definicja. Jednak w kontekście tego artykułu będziemy jej używać dla łatwiejszego zrozumienia.
O zakresie dynamiki możemy mówić jako o wspólnej podstawie dla PCM i DSD. Zakres dynamiki to jedna sprawa dla różnych głębokości bitowych.
Maksymalny poziom w dźwięku cyfrowym przyjmuje się jako 0 dB. Nie zależy on od głębokości bitowej. Jednak dno szumu lub poziom minimalny zależy od rozdzielczości bitowej.
Od PCM do DSD
Jako przykład, mamy pewien poziom szumu dla niektórych głębokości bitowych PCM. Po zmniejszeniu rozdzielczości bitowej, poziom szumu staje się wyższy, a zakres dynamiki ulega zmniejszeniu.
Obcinanie głębi bitowej (z PCM do DSD)
Jednakże, poziom szumu może być utrzymany w ograniczonym użytecznym paśmie częstotliwości. Energia szumu, która wzrasta z powodu obcinania głębokości bitowej, może być wypchnięta poza pasmo poprzez kształtowanie szumu.
Kształtowanie szumu, transformacja PCM do DSD
W ten sposób staje się on bardzo podobny do DSD. I, tak! To jest prawdziwy, wielobitowy DSD!
Od DSD do PCM
Teraz spróbuję przejść z DSD do PCM. Tutaj również mamy podany poziom szumu. Kształtowanie szumu może być scharakteryzowane przez stromość. Zarówno całkowite jak i użyteczne pasma sygnału audio definiują stromość.
Stromość kształtowania szumu
Stromość kształtowania szumu może być użyta do rozszerzenia użytecznego pasma. Stromość może powodować niestabilność w modulatorach sigma-delta (noise shapers). Więc mniejsza stromość może być dobrą rzeczą.
Dodanie bitu do próbki spowoduje zmniejszenie poziomu szumu. Tak więc stromość kształtowania szumu może być również zmniejszona. Im mniejsza stromość, tym mniej energii szumu wkrada się w użyteczne pasmo.
Dodawanie bitów - mniejsza stromość, transformacja DSD do PCM
W końcu dno szumu staje się płaskie. Sygnał DSD jest więc przekształcany w PCM.
Kwestia częstotliwości próbkowania
DSD ma znacznie wyższą częstotliwość próbkowania niż PCM. Wynika to z faktu, że wymagana jest rezerwa pasmowa, aby wypchnąć nadmiar energii szumu poza użyteczne pasmo częstotliwości.
Jednakże, nawet proste rozszerzenie pasma powoduje mniejszy poziom szumu, ponieważ energia szumu kwantyzacji jest stała i rozłożona w całym paśmie. Graficznie, energia szumu jest kwadratem widma szumu. Rozważmy to w ten sam sposób, w jaki rozważamy prostokąt. Jeśli jego szerokość jest zwiększana, wysokość (poziom szumu) będzie malała w stosunku do niego.
Częstotliwość próbkowania i poziom szumu kwantyzacji
Dwukrotne rozszerzenie pasma powoduje spadek poziomu szumu o 6 dB.
Można więc powiedzieć, że DSD obniża poziom szumu dwukrotnie:
przez częstotliwość próbkowania i przez kształtowanie szumu.
Wnioski
DSD i PCM to dwie strony tego samego - przesyłania sygnału cyfrowego o określonym zakresie dynamiki. Aby przekształcić DSD do PCM musimy zwiększyć ilość bitów i usunąć kształtowanie szumu. Aby przekształcić PCM do DSD musimy zmniejszyć liczbę bitów, stosując kształtowanie szumu i zwiększając częstotliwość próbkowania. Moim zdaniem, najbardziej oczywistym znakiem DSD jest częściowe wykorzystanie całego pasma sygnału (rezerwy) do transmisji sygnału i wypchnięcie energii szumu poza użyteczne pasmo częstotliwości.
