PCM vs Delta Sigma & DSD

PCM vs Delta Sigma & DSD

جمعه 29 جولای 2016
/ / /

این دو روزه خیلی با Gordon ایمیل بازی کردم. یکی از بهترین طراحان USB DAC و کلی هم راهنماییم کرد. ایشون برای خیلی از شرکت ها DAC طراحی کرده و فقط روی برند خودش فعالیت تجاری نداره. جسیکا دزل که از کاربران خیلی فعال و باهوش کلاب رومی هست از DAC این طراح استفاده میکنه و خود رومی هم نوشته شنیدم اگر کسی بتونه USB رو خوب پیاده سازی کنه نتیجه خیلی عالی هست و خود Gordon هم معتقده اگر USB DAC خوب پیاده سازی بشه خیلی بهتر از SPDIF هست. کلا از SPDIF دوری میکنه.

آقای Gordon به من گفت با مک بوک پرو خودت حتما هارد اکسترنال هم بگیر که با پورت Thunderbolt کار کنه. توصیه کرد حتما از کابل خوب استفاده کنم و خودش از Audio Quest استفاده میکنه. گفته ممکنه کابل خیلی گران هم بخرید اما اون کابل USB یا SPDIF خوب نباشه. گفت از Audirvana بدون دخالت iTunes استفاده کنم. گفت پورت سمت راست مک بوک بهتره برای گرفتن سیگنال USB و برای ریپ کردن سی دی حتما error correction برنامه itunes باید فعال باشه. گفت بین فرمت های ALAC , WAVE و FLAC و … از فرمت AIFF برای مک استفاده کنم. من قبلا خونده بودم WAVE بهتره اما گوردون گفت از AIFF استفاده کنم.

آخرش هم گفت :

Amir,

Learn by doing, not by reading.

این جمله معنی زیادی داره.

اما در مورد تبدیل آنالوگ به دیجیتال :

ببینید دیتای دیجیتال یک سری 0 و 1 هست که ما تعیین میکنیم به چه شکل اون سیگنال آنالوگ به این 0 و 1 ها تبدیل بشه . دو فرمت رایج فعلی PCM و DSD هست. تو حالت PCM ما با Analog to Digital Converter میاییم با یه فرکانسی مثلا 44.1Khz اندازه ولتاژ سیگنال آنالوگ رو میخونیم و اون عدد رو به یه عدد دیجیتال تبدیل میکنیم. عدد دیجیتال محدود و قابل شمارش هست مثلا اگر 2 بیت باشه ما 4 تا عدد داریم و اگر 3 بیت باشه ما 8 حالت داریم و اگر 16 بیت باشه ما مقادیر 0 تا 65536 رو خواهیم داشت. هر بیت فقط دو حالت 0 و 1 رو میتونه داشته باشه و با n تعداد بیت ما 2 به توان n حالت داریم .

حالا برای 16 بیت ما میتونیم 65536 حالت داشته باشیم. کاری که میکنیم اینه محدوده ولتاژ آنالوگ رو که مثلا بین -2 تا +2 ولت هست رو به 65536 قیمت تقسیم میکنیم و تو تبدیل آنالوگ به دیجیتال اندازه ولتاژ به یکی از این 65536 عدد نزدیکتره و اون عدد رو براش اختصاص میدیم. مثلا ولتاژ 0 ولت میفته روی  32768 و سیستم اینجوریه که ما با فرکانس 44.1khz کلاک میزنیم و با هر کلاک 16 بیت اطلاعات رو از روی شکل موج آنالوک تبدیل به دیجیتال میکنیم. شکل زیر 3 بیت رو نشون داده.

به عبارتی معنی PCM 16-bit 44.1khz این میشه ما هر 1 تقسیم بر 44100 ام ثانیه (میشه هر 0.000022675737 ام ثانیه) 16 بیت دیتا دیجیتال استخراج میکنیم.

برای PCM 24-bit 192khz هم همین منطق هست و فقط با فرکانس بیشتری ما 24 بیت دیتا ذخیره میکنیم. عبارت PCM مخفف Pulse Code Modulation  هست.

اما در مورد DSD این طور نیست و ما با فرکانس 2.8 مگا هرتز فقط 1 بیت ذخیره میکنیم. ببینید :

تو شکل بالا ما فقط یک بیت داریم که یا 0 هست یا 1 و با فرکانس بالا 2.8 مگا هرتز سیگنال آنالوگ رو رصد میکنه و وقتی شیب تغییرات سیگنال آنالوگ زیادتره مثل نقطه شروع شکل بالا این بیت بین 0 و 1 بیشتر نوسان میکنه و هر چقدر که به قله شکل موج سینوسی نزدیک میشیم و روند تغییر دامنه ولتاژ آهسته تر میشه میبینید اون بیت دیرتر تغییر وضعیت میده و یه جورایی فرکانس تغییر اون بیت بر اساس مشتق تابع سیگنال آنالوگ هست.

همونطور که میبینید سیستم  DSD پیچیده تر از PCM بنظر میاد. به این نوع تبدیل کردن میگیم Pulse Density Modulation یا همان PDM .

Pulse-density modulation, or PDM, is a form of modulation used to represent an analog signal with a binary signal. In a PDM signal, specific amplitude values are not encoded into codewords of pulses of different weight as they would be in pulse-code modulation (PCM). Instead, it is the relative density of the pulses that corresponds to the analog signal’s amplitude. The output of a 1-bit DAC is the same as the PDM encoding of the signal. Pulse-width modulation (PWM) is a special case of PDM where the switching frequency is fixed and all the pulses corresponding to one sample are contiguous in the digital signal. For a 50% voltage with a resolution of 8-bits, a PWM waveform will turn on for 128 clock cycles and then off for the remaining 128 cycles. With PDM and the same clock rate the signal would alternate between on and off every other cycle. The average is 50% for both waveforms, but the PDM signal switches more often. For 100% or 0% level, they are the same.

تو حالت PDM میبینید که بر اساس تغییرات ما یک بیت رو تغییر میدیم و همانطور که میدانید تو آمپلی فایر های Class D هم داره چنین اتفاقی میفته و ما با تبدیل تغییرات سیگنال آنالوگ به 1 بیت اونو کد میکنیم. یعنی منطق آمپلی فایر Class D و منطق DSD و منطق Delta Sigma همگی به این برمیگردند که ما یک بیت داریم با یک فرکانس بالا و اون بیت بر اساس سرعت تغییرات فرکانسش تغییر میکنه.

حالا میریم سراغ قسمت تبدیل دیحیتال به آنالوگ.

تو قسمت اول که آنالوگ تبدیل به دیجیتال شد ما برای PCM از مالتی بیت استفاده کردیم و برای DSD از سینگل بیت و حالا راه درستش اینه که برای بازگشت از دیجیتال به آنالوگ برای PCM از DAC مالتی بیت استفاده کنیم و برای DSD از DAC سینگل بیت .

سیستم مالتی بیت واقعی همین سیستم R-2R Ladder هست که ولتاژ هر بیت به یک مقاومت پسیو وصل میشه و تو خروجی از جمع ولتاژها سیگنال آنالوگ کاملا خطی ساخته میشه. به این حالت میگن True Multi-bit یا همان R-2R Conversion .

اینم شکل دیگر :

این حالت عالیه و رومی و تورستن هم به گفته آرمن موافق همین سیستم True Multi-bit هست. مقاله MSB و Lampizator رو بخونید جالبه :

http://www.mother-of-tone.com/conversion.htm

http://www.msbtech.com/support/dac4_vince.php?Page=supportHome

http://www.msbtech.com/support/How_DACs_Work.php?Page=supportHome

http://www.lampizator.eu/Fikus/R2R_DISCRETE.html

نکته اینه قدیما از مقاومت استفاده میشد بعدش Analog Device و Philips و Burr Brown اومدند و همین سیستم r2-r رو داخل یک چیپ پیاده سازی کردند.

The TDA chip is nothing but a ladder of several hundred resistors built in the form of integrated circuit (silicon chip) and hence miniaturized to a reasonable size, usable in home electronics. This type of DAC chips is called multibit or R2R. (resistor to resistor)

اون analog Device اومد AD1865 رو زد و Philips مدل TDA1541 رو زد و Burr Brown هم مدل PCM1704 رو زد. بعدش دیگه کلا بساط R2R برچیده شد .

The absolute peak of R2R was the chip from Burr Brown (Japan) (later acquired by Texas) called PCM1704, with close followers of Philips’ TDA1541A, (and 1547) Analog Devices AD1865 and the Burr Brown’s own PCM 63. These chips are considered the pinnacle of the PCM era and were all discontinued about 20 years ago.

این DAC ها همشون برای 44.1khz و 16 بیت بودند و برای فرکانس های بالاتر و بیت بیشتر ورژنی ندادند. البته فک کنم PCM1704 تا 96 کیلوهرتز هم میره با 24 بیت. خود Lavry برای DAC 2002 مجبور شد از همون مقاومت ها استفاده کنه برای فرکانسهای بالاتر و 24 بیت.

از AD1865 شرکت Audio Note استفاده میکنه ، از TDA1541 شرکت AMR و Zanden استفاده میکنند ، از PCM1704 هم چند شرکت محدود دیگه. شکل زیر شبکه مقاومت هارو ببینید :

لیست DAC های مالتی بیت :

CEC DA 0 3.0
Trinity DAC
Ypsilon DAC 100
Phasure NOS1 DAC
MSB Platinum
Total DAC
Audial DAC Model S (Pedja Rogic)
AMR top DAC and CD-77 (Thorsten Loesch)
Lampizator
Wavelength USB DAC
Exasound
Reimyo
CH precision

Acoustic Plan

Zanden Audio
Audio Zone DAC-1

Audio Note UK

ادامه دارد …

Post a Comment

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*