DSD versus PCM

DSD vs. PCM: Mythen vs. waarheid

Direct Stream Digital (DSD) is uitgegroeid tot een belangrijk onderwerp in high-end audio. De vereenvoudigde codering en decodering, samen met de ultrahoge samplingfrequenties, beloven ongeëvenaarde prestaties. Is dit wat we hebben verwacht, of is het gewoon massamarketing? Deze post scheidt de hype van de technische feiten. We zullen uitleggen waarin DSD zijn voordelen heeft en op welke manieren Pulse Code Modulation (PCM) beter is.

In 1979 werkten Philips en Sony samen aan een nieuwe standaard voor een digitaal consumptieformaat. Philips wilde een schijf van 20 cm, maar Sony wilde een schijf van 12 cm die kon worden afgespeeld op een kleiner draagbaar apparaat. In 1980 publiceerden ze de Red Book (Rode Boek) CD-DA-standaard, en de massamarkt voor digitale muziek was geboren. Velen maakten in het begin van het digitale tijdperk grapjes dat de CD een “gecompromitteerde schijf” was.

DSD vs. PCM: Mythen vs. waarheid

De overgang van PCM naar DSD was niet anders. In het begin van de jaren negentig wilde Sony een toekomstbestendig en goedkoper medium om hun analoge masters op te slaan. In 1995 concludeerden ze dat het rechtstreeks opslaan van een 1-bit signaal van analoog naar digitaal hen in staat zou stellen naar elk denkbaar digitaal consumptieformaat uit te zenden. Deze nieuwe 1-bit technologie werd behaald door de monitoringspin op de nieuwe 1-bit Crystal BitStream DAC-chip uit te voeren met een snelheid van 2,8 Mhz.

Later stapte de consumentendivisie van Sony over naar DSD en werkte samen met Philips om het SACD-formaat te creëren. Natuurlijk waren de DAC-chipfabrikanten tegen de tijd dat SACD werd bedacht al verder gevorderd en in staat tot hogere bemonsteringsfrequenties van 128fs en een hogere resolutie van 5-bit in plaats van 1-bit.

Veel voordat de DVD-, SACD- of DSD-formaten werden ontwikkeld, werd de BitStream DAC-chip geïntroduceerd op de consumentenmarkt als een goedkoper alternatief voor de veel duurdere R-2R multibit DAC-chip. De BitStream DAC-chips hebben ingebouwde algoritmen om PCM-input om te zetten in DSD, dat vervolgens wordt omgezet naar analoog. Opnieuw resulteerde dit in aanzienlijke kostenbesparingen ten koste van geluidskwaliteit.

Het was mede dankzij de BitStream DAC-technologie dat onze moderne 7.1-audio-uitrusting kon worden ingebed in videovormaten. Het stelde elektronica-fabrikanten ook in staat om DVD-spelers te commercialiseren met kleine behuizingen en goedkope voedingen die voor minder dan 10.000 ptas (tegenwoordig 60 euro) konden worden verkocht. Audiofielen werden opnieuw over het hoofd gezien.

Om de zaken samen te vatten, heeft de opgenomen muziekindustrie beslissing na beslissing genomen om de winst te maximaliseren en zich te richten op massaconsumptie ten koste van de puristische audiofiel. Een lesje geschiedenis.

De DSD vs. PCM-technologie

PCM-opnames zijn commercieel beschikbaar in 16-bit of 24-bit en bij verschillende bemonsteringsfrequenties, variërend van 44,1 kHz tot 192 kHz. Het meest voorkomende formaat is de 16-bit CD Red Book met een bemonsteringsfrequentie van 44,1 kHz. DSD-opnames zijn commercieel beschikbaar in 1-bit met een bemonsteringsfrequentie van 2,8224 MHz. Dit formaat wordt gebruikt voor SACD en staat ook bekend als DSD64.

DSD vs. PCM: Mythen vs. waarheid

Er zijn modernere en hogere resolutie DSD-formaten beschikbaar, zoals DSD128, DSD256 en DSD512, die later worden uitgelegd. Deze formaten werden ontwikkeld voor opnamestudio’s en maken slechts een heel klein deel uit van commercieel beschikbare opnames.

Hoewel er geen directe vergelijking kan worden gemaakt tussen de resolutie van DSD en PCM, hebben verschillende experts dit geprobeerd. Een schatting is dat DSD 2,8224 MHz met 1-bit een vergelijkbare resolutie heeft als PCM 96 kHz met 20-bit. Een andere schatting is dat DSD 2,8224 MHz met 1-bit gelijk is aan PCM 141,12 kHz met 20-bit of PCM 117,6 kHz met 24-bit.

Met andere woorden, DSD64, of SACD, heeft een grotere resolutie dan een 16-bit CD op 44,1 kHz, ongeveer dezelfde resolutie als een 24-bit 96 kHz PCM-opname, en niet zo hoog als een 24-bit 192 kHz PCM-opname.

Zowel DSD als PCM zijn “gekwantiseerd”, wat betekent dat numerieke waarden worden aangepast om dicht bij het analoge signaal te komen. Zowel DSD als PCM hebben kwantiseringsfouten. Zowel DSD als PCM hebben lineariteitsfouten. Zowel DSD als PCM hebben kwantiseringsruis die vereist dat er in de output van de converter een laagdoorlaatfilter wordt gebruikt om versterkers en luidsprekers niet te overbelasten met hoogfrequentie-ruis. Met andere woorden, geen van beide is perfect.

PCM codeert de amplitude van het bemonsterde analoge signaal op gelijkmatige intervallen, en elke sample wordt gekwantificeerd naar de dichtstbijzijnde waarde binnen een bereik van digitale stappen. Het bereik van stappen is gebaseerd op de bitdiepte van de opname. Een 16-bit opname heeft 65.536 stappen, een 20-bit opname heeft 1.048.576 stappen en een 24-bit opname heeft 16.777.216 stappen.

Meer bits en/of hogere bemonsteringsfrequenties resulteren in een grotere resolutie. Dit betekent dat een 96 kHz/20-bit opname ongeveer 33 keer de resolutie heeft van een 44,1 kHz/16-bit opname. Er zijn dus wel degelijk kleine verschillen.

DSD codeert muziek door middel van Pulse Density Modulation, een reeks waarden van slechts één bit met een bemonsteringsfrequentie van 2,8224 MHz. Dit resulteert in een 64 keer hogere sample rate dan de Red Book CD op 44,1 kHz, maar slechts 1/32.768 van de 16-bit resolutie.

Er zijn andere DSD-formaten die hogere sample rates gebruiken, zoals DSD128 (ook bekend als dubbele snelheid DSD) met een sample rate van 5,6448 MHz; DSD256 (ook bekend als Quad-Rate DSD) met een sample rate van 11,2896 MHz; en DSD512 (ook bekend als Octuple-Rate DSD) met een sample rate van 22,5792 MHz. Al deze hogere resolutie DSD-formaten waren oorspronkelijk bedoeld voor studio-gebruik in plaats van consumptie, maar er zijn nu al veel bedrijven die opnames in deze formaten verkopen.

Let op: Double, Quad en Octuple DSD zijn veelvouden van 44,1 kHz en hebben sample rates die veelvouden zijn van 48 kHz voor een volledige divisie naar Red Book 44,1 kHz of 96 kHz en 192 kHz High-Definition PCM.

We hopen dat we de verschillen tussen DSD- en PCM-formaten een beetje hebben verduidelijkt, en we hopen dat we niet te veel technische details hebben gegeven die soms de uitleg vertroebelen.