Digitale Audio
We hebben ontzettend veel reacties gehad op onze vorige nieuwsbrief over het verdwijnen van FM en de opkomst van digitale radio. Gebleken is dat de betekenis van het woord digitaal voor veel van onze lezers niet helemaal duidelijk is ondanks het feit dat we omringd worden door digitale techniek.
Digitaal
De term ‘digitaal’ is afgeleid van het Latijnse woord digitus, dat vinger betekent, en refereert aan het tellen op de vingers. In het Engels betekent digit zowel ‘cijfer’ als ‘vinger’” aldus wikipedia.
Sinds 1970 wordt in de elektronica steeds meer systemen ‘gedigitaliseerd’. De opkomst van computers heeft daar uiteraard een grote rol in gespeeld. Digitale data kan gemakkelijker worden opgeslagen, getransporteerd en er kunnen gemakkelijker bewerkingen mee uitgevoerd worden. Ook kan de bandbreedte van een gegeven zender / kabel flink uitgebreid worden door slimme modulatie en multiplex technieken waardoor bijvoorbeeld meer telefoongesprekken of meer data tegelijkertijd over een aderpaar gevoerd worden wanneer data gedigitaliseerd is.
Digitale revolutie in de audiowereld
Al snel werd digitalisering ook binnen de audio wereld geïntroduceerd. Aanvankelijk werden digitale systemen in studio’s gebruikt als vervanging van grote bandrecorders. Met de komst van PCM adapters konden studio’s ‘CD ready’ opnames vastleggen op videobanden. Hiermee kon een veel grotere dynamiek en een vlakke frequentierespons worden geregistreerd. Met de komst van de CD kwam digitale audio ook in de woonkamer. De aanzienlijk minder kwetsbare schijfjes hoefden niet voor het afspelen te worden schoongemaakt, de foutcorrectie was in staat om leesfouten ten gevolge van kleine krasjes of vette vingers te corrigeren en het werd mogelijk om je favoriete muziek ook in de auto en tijdens het lopen van je krantenwijk te beluisteren zonder dat je deze eerst moest tapen.
Sony PCM-1630 PCM adapter waarmee het registeren van gedigitaliseerde audio op een videotape mogelijk werd.
Maar wat is digitaal precies? En hoe worden analoge signalen gedigitaliseerd?
Digitale data kenmerkt zich door het feit dat het een discreet aantal waardes kan aannemen. Dit in tegenstelling tot analoge data die binnen een kader alle denkbare waardes kan aannemen.
De geluiden die we horen (en trouwens ook de beelden die we zien) zijn analoog en voordat we geluid digitaal kunnen opslaan, transporteren of bewerken moeten we de analoge wereld digitaal maken. Dat gebeurt door Analog to Digital Converters (ADC’s).
Bij de conversie van analoge signalen naar digitale data zijn twee aspecten van belang, te weten de samplesnelheid en de bitdiepte. Hier gaan we nu dieper op in.
Samplesnelheid
Een analoog signaal verandert constant van waarde. Bij het digitaliseren leggen we dit patroon vast. Dit doen we door op een vaste regelmaat een sample te nemen van het analoge signaal. Hoe vaker we een sample nemen van dit signaal, hoe beter we het oorspronkelijke, analoge signaal later weer kunnen reproduceren.
Een analoog signaal wat gesampled wordt. Op een vast grit wordt de waarde van het signaal vastgelegd en opgeslagen.
De samplesnelheid, of sample rate bepaald wat de maximale vast te leggen frequentie is.
Als regel geldt dat er minstens twee keer zoveel samples genomen moeten worden als de hoogste frequentie die geregistreerd dient te worden. Als dat niet gebeurt ontstaat aliasing, een complex fenomeen waarbij tijdens het reproduceren van het analoge signaal een andere frequentie ontstaat dan het oorspronkelijk gedigitaliseerde signaal.
Voorbeeld van aliasing: De rode sinus geeft het originele analoge signaal weer, de blauwe lijn geeft de gereproduceerde sinus weer. Deze is significant laag frequenter omdat de sample snelheid lager is dan 2x de gedigitaliseerde frequentie.
CD’s hebben daarom een sample rate van 44.1 kHz. Daarmee kan tot 20 kHz audio worden geregistreerd zonder dat er aliasing ontstaat. Met het loslaten van CD’s als digitale drager voor audio en de komst van snelle computers en streamers is high resolution audio steeds populairder geworden.
De Philips CD-100, de eerste compact disc speler, bracht digitale audio naar de woonkamers.
Sample rates tot 192 kHz maken het mogelijk om tot 96kHz audio te registreren. Op zichzelf is het niet heel nuttig om muziek signalen die boven de voor ons mensen hoorbare frequentieband van 20 kHz vast te leggen. Al zijn er wel studies die concluderen dat audio content boven 20 kHz wel degelijk bijdraagt bij het overbrengen van ruimtelijkheid, diepte en details. Maar onomstreden staat vast dat een significant hogere sample frequentie de filtering van het analoge ingangssignaal minder steil hoeft te maken, wat resulteert in minder fasedraaiing in het hoorbare frequentiegebied. Minder fasedraaiing zorgt voor meer precisie in de plaatsing en ruimtelijkheid van de weergave, immers alle frequenties bereiken op hetzelfde moment het gehoor waardoor het stereobeeld niet vertroebeld.
Ook zijn er bij hogere sample rates in het voor ons interessante frequentiegebied tot 20kHz meer samples beschikbaar, wat ook weer bijdraagt aan een betere reproductie van de werkelijkheid wanneer het digitale signaal weer analoog gemaakt wordt. De interpolator in de DAC, die verantwoordelijk is voor het reconstrueren van de data tussen de samples zal minder afrondingsfouten maken.
Samenvatting
De sample rate is bepalend voor de maximaal te registreren audio frequentie en moet minimaal 2x zo hoog zijn als de maximaal te registreren audio frequentie. Hoge sample rates (96kHz, 192kHz) maken het mogelijk om meer detail en precisie over te brengen.
Bitdiepte
Het andere aspect wat van belang is bij het omzetten van analoge signalen in digitale data is de bitdiepte.
Wanneer een sample wordt genomen dan wordt de momentane spanning van het analoge signaal gedigitaliseerd, wat inhoudt dat de waarde van de spanning wordt gemeten en uitgedrukt in een binair getal. Het binaire of tweetallige talstelsel is een positiestelsel, waarin een getal wordt voorgesteld door een rijtje van de cijfers 1 en 0. Een dergelijk cijfer wordt in deze context een bit (“binary digit”) genoemd.
Hoe meer bits er zijn hoe nauwkeuriger de waarde van het gedigitaliseerde sample kan worden opgeslagen en hoe groter de dynamiek (verschil tussen zachtste en luidste te registreren signaal) is.
Bitdiepte versus dynamiek.
24 bit
In 1982, ten tijde van de CD introductie was het maken van 16 bit dac chips nog een enorme uitdaging. Philips paste eerst 14 bit dacs toe die ze door middel van oversampling toch de 16 bit plaatjes lieten afspelen. Inmiddels zijn 24 bit dacs gemeengoed. Het dynamiek verschil tussen 16 en 24 bit is overweldigend groot. In de praktijk is het lastig om het verschil op het gehoor vast te stellen. Geluid staat in een woonkamer immers nooit zo hard dat de volle dynamische range hoorbaar is. Om een beeld te geven hoe hard de hardste geluiden dan zouden zijn het volgende plaatje, bovenaan de pagina is deze scherper te zien.
24 bit dynamiek: Wanneer het volledige dynamische bereik van 24 bits audio hoorbaar gemaakt zou worden dan zouden de luidste passages net zo luid zijn als een straaljager en het afsteken van vuurwerk.
Minder afrondingsfouten
24 bit dynamiek zorgt er wel voor dat ruis een stuk lager is. Ook bij het uitvoeren van digitale bewerkingen (volumeregeling, equalizing) in een sound processor ontstaan minder afrondingsfouten. Daarom is onze True-Blue Box versterker intern zelfs 32 bits.
De True-Blue Box COBALT DA versterker. Deze volledig digitale versterker werkt intern met 32 bits voor minimale afrondingsfouten tijdens digitale bewerkingen zoals volumeregeling.
Samenvatting
Bitdiepte is bepalend voor de dynamiek die geregistreerd kan worden. Hoe meer bits, hoe nauwkeuriger de ADC het originele signaal kan registreren in een sample.
Conclusie
Digitale audio heeft een enorme ontwikkeling doorgemaakt sinds de introductie van de eerste PCM adapters en de eerste CD speler. Ook digitale diensten zoals Spotify, Tidal en internetradio hebben de manier veranderd waarop we naar muziek luisteren.
Voor veel mensen blijven analoge bronnen zoals LP’s, tapes en radio geliefd. Bij Vintage Audio Repair doen we er alles aan om digitale audio te combineren met analoge audio sets.
We leveren hoogwaardige streamers met analoge uitgangen en externe DAC’s waarmee digitale bronnen eenvoudig op bestaande audio systemen aangesloten kunnen worden. Ook heeft onze full digital True-Blue Box COBALT DA versterker uiteraard nog een analoge en phono input om analoge bronnen te kunnen blijven gebruiken.
