Резонанс

Direct Stream Digital

16.07.2015

DSD (Direct Stream Digital) — однобитный аудиоформат, разработанный компаниями Sony и Philips, в котором используется кодирование плотностно-импульсной модуляции Pulse Density Modulation (PDM), разновидность сигма-дельта-модуляции и применяется для хранения звукозаписей на оптическом носителе SACD (Super Audio CD).

Изначально SACD предполагался как архивный формат звукозаписывающей компании Sony Music для перевода музыкального архива в цифровой формат.

Аналоговый звуковой сигнал конвертируется в цифровой с помощью дельта-сигма модуляции при частоте дискретизации 2 822,4 кГц (в 64 раза больше, чем у CD Audio при частоте 44,1 кГц), но с разрешением 1/16 от разрешения в 16 бит. Для снижения уровня шумов в пределах частного диапазона полезного сигнала используется технология «Формирование шума» (перемещение частотного спектра шума дискретизации в верхнюю или нижнюю октавы за пределы слышимого диапазона) реализуется посредствам использования супердискретизации сигнала64х для уменьшения шума и искажений, вызванных погрешностью квантования аудиосигнала до одного бита.

Избыточное семплирование имеет большое значение при устранении шумов квантования, вносимых квантователем. Поскольку сигнал передискретизирован, соседние отсчеты коррелируют друг с другом. В итоге так называемого «сетевого эффекта» мощность шума в частотном диапазоне, занимаемом полезным сигналом, уменьшается пропорционально повышению частоты дискретизации. Таким образом, отношение сигнал/ шум увеличивается, когда частота дискретизации становится больше. Передискретизация позволяет избежать необходимости предварительного фильтрования и сохраняет гармоники в их первоначальном состоянии. Фазовая характеристика становится более схожей с высокочастотной характеристикой аналоговых систем.

Положительное изменение амплитуды будет представлено всеми «1». Отрицательное — всеми «0». Нулевая точка будет представлена сменой двоичного числа. Поскольку значение амплитуды аналогового сигнала в каждый момент представлено в виде плотности импульсов, этот метод иногда называют плотностно-импульсной модуляцией Pulse Density Modulation (PDM).

Преимущества формата DSD

превосходные частотные и фазовые характеристики
помехоустойчивость
более простая обработка и коммутация
снижение влияния ошибок
возможность усовершенствования без ущерба для совместимости носителей
oднобитный формат DSD не нуждается в кадровой структуре и не требует многоразрядных шин, что дает несколько важных технических преимуществ:
соединение осуществляется одной парой проводников (как в аналоговой технике)
нет необходимости создания буфера для хранения многоразрядного слова. Поскольку система одноразрядная, нет также необходимости усложнять её синхронизацией
эффекты задержек отсчетов (джиттер) незначительны, поскольку задержка нескольких отсчетов при передискретизации оказывает на аудиосигнал минимальное влияние, так как даже при самой высокой частоте сигнала составляет малую часть периода; в многоразрядных системах задержка на один отсчет будет равняться уже половине периода высокочастотных компонентов сигнала.
блоки обработки и микросхемы имеют меньше соединений и могут использовать последовательный интерфейс.
DSD способен обеспечить динамический диапазон 120 дБ от 20 Гц до 20 кГц. Значительное повышение уровня шума происходит за границей слышимого диапазона свыше 20 кГц

Применение технологии DSD

Используется в носителях SACD

DSD-диск — оптический диск (DVD-R, DVD+R, DVD-RW или DVD+RW), содержащий файлы DSD с расширением *.DSF, который может проигрываться на компьютере или другом оборудовании, поддерживающем воспроизведение этих файлов. Содержит аудиофайлы высокого разрешения с частотой дискретизации 2822,4 кГц. Качество аудиозаписи на DSD-диске такое же, как на SACD, с тем отличием, что на первом не может быть записан многоканальный сигнал. Фирмой Sony разработана спецификация под названием DSD Disc Format, которой пользуются некоторые звукозаписывающие фирмы для выпуска DSD-дисков. Этот формат является открытым, и при наличии специального ПО такой диск может быть подготовлен в бытовых условиях и содержать файлы DSD, полученные, например, через Интернет. Фирма Mytek Digital выпускает отличные ЦАП способные напрямую обрабатывать DSD поток, очень популярен их продукт Mytek Digital Stereo192-DSD DAC Black Preamp Version.

С 2010 года в Интернете стали распространяться аудиофайлы DSD, имеющие расширение DSDIFF или DSF. С помощью специального ПО и ЦАПа они могут воспроизводиться на компьютере, либо могут быть преобразованы в ИКМ-файлы для последующего прослушивания.

Сравнение DSD с PCM

Звук SACD сохраняется в формате, называемом Direct Stream Digital (DSD), который отличается от обычного PCM(Импульсно-кодовая модуляция - ИКМ) используемого в компакт-дисках или в обычных компьютерных аудио системах.

Рекордер Direct Stream Digital (DSD) использует модуляцию сигма-дельта. Разрешение DSD составляет 1 бит с частотой сэмплирования 2,8224 МГц. Выходной сигнал рекордера DSD чередуется между уровнями положений "включено" и "выключено" и представляет собой двоичный сигнал - bitstream. Долгосрочный средний коэффициент этого сигнала пропорционален исходному сигналу. В DSD используются методы формирования шума для того, чтобы вывести шумы за пределы слышимого диапазона. В принципе, сохранение потока bitstream в DSD позволяет проигрывателю SACD использовать базовую (однобитную) схему ЦАП, которая включает в себя аналоговый фильтр низкого порядка. Формат SACD способен передавать динамический диапазон 120 дБ от 20 Гц до 20 кГц и расширенный частотный диапазон до 100 кГц, хотя большинство имеющихся в настоящее время плееров заявляют верхний предел 80-90 кГц, а 20 кГц является верхним пределом восприятия человеческого слуха.

Процесс создания сигнала DSD концептуально походит на использование 1-битного аналогово- цифрового (A/D)преобразователя дельта-сигма и исключения decimator (прореживателя), который преобразует 1-битный поток bitstream в многобитный PCM. Вместо того, чтобы записывать напрямую 1-битный сигнал, теоретически требуется только низкочастотный фильтр для восстановления исходного аналогового сигнала. На самом деле это сложнее, и аналогия является неполной при таком 1-битном преобразовании сигма-дельта, и в наши дни имеет довольно редкое применение, одна из причин заключается в том, что 1-битный сигнал не может быть должным образом дитерингован: большинство современных преобразователей сигма-дельта являются многобитными.

Из-за характера преобразователей сигма-дельта, прямое сравнение между DSD и PCM не представляется возможным. Однако возможно некоторое приближение, если преобразовать DSD в некоторых аспектах сопоставимый с форматом PCM, который имеет разрядность 20 бит и частотную дискретизацию 96 кГц. Дискретизация PCM - 24 бит обеспечивает (теоретически) дополнительный динамический диапазон 24 дБ.

Ввиду того, что было чрезвычайно трудно осуществить DSP операции (например работу с эквализацией, балансом, панорамированием и другими изменениями в цифровом виде) в 1- битной среде, а также распространенности студийного оборудования, такого как Pro Tools, которое исключительно работает на основе PCM, подавляющее большинство дисков SACD – в особенности рок и современная музыка, которая опирается на многоканальную технику – фактически микшировались в PCM (или микшировалась в аналоге, а записывались на PCM рекордеры), а затем преобразовывалась в DSD для мастеринга в SACD.

Для решения некоторых подобных проблем, был разработан новый студийный формат, как правило, его называют «DSD-wide», который сохраняет высокую частоту дискретизации стандартного DSD, но использует 8-бит, а не однобитовый digital word length, при этом в значительной мере опирается на принцип «формирования шума». Он становится почти таким же, как PCM (его иногда пренебрежительно называют "PCM - narrow"), но имеет дополнительные преимущества и более практичен при DSP операциях в студии. Главное отличие в том, что "DSD-Wide" по-прежнему сохраняет частоту дискретизации 2,8224 МГц (64Fs) в то время как самая высокая частота РСМ - 352,8 кГц (8FS). Затем сигнал "DSD-Wide" преобразуется с понижением в обычный DSD для мастеринга SACD. В результате этой технологии и других улучшений, в настоящее время существует несколько цифровых аудио рабочих станций (DAWs), которые работают или могут работать в области DSD, в частности Pyramix и некоторые системы SADiE.

Другой формат для редактирования DSD это DXD (Digital eXtreme Definition), формат PCM с 24- битным разрешением дискретизации 352,8 кГц (или как вариант 384 кГц).

Обратите внимание, что PCM высокого разрешения (DVD-Audio, HD DVD и Blu-ray Disc) и DSD (SACD) все еще могут технически отличаться на высоких частотах. Фильтры восстановления обычно используются в системах декодирования PCM, таким же образом как и раньше, поэтому обычно используются ограничивающие фильтры пропускной способности в системах кодирования PCM. Любые ошибки или нежелательные объекты привносимые такими фильтрами, как правило, влияют на конечный результат. Явное преимущество DSD, заключается в том, что подобная фильтрация не используется. Динамический диапазон DSD быстро спадает при частотах свыше 20 кГцблагодаря использованию системы подавления шумов, а также во всех плеерах SACD используется дополнительный фильтр низких частот 50 кГц для обеспечения безопасности, в ситуациях, когда усилители или колонки не будут выдавать искаженный выходной сигнал, если в сигнале присутствует шум свыше 50 кГц.

Схематичное объяснение DSD

Схема PCM (Pulse Code Modulation) Импульсно-кодовая модуляция - ИКМ

Схема DSD (Direct Stream Digital)

Модуляция Дельта-Сигма

Спектральный DSD vs. PCM

DSD как формат кодирования

Результат кодирования PCM 1FS

Результат кодирования PCM 2FS

Результат кодирования DSD

Записи DSD

Существует много записей, которые были преобразованы из оригинальных записей PCM
Лейблы Audiophile имеют большие библиотеки записей DSD, которые используется для SACD
Записи DSD все более доступны для скачивания через Интеренет

Показатели скорости загрузки

Размеры файлов для 3 минутной песни и время загрузки (при условии скорости подключения к Интернет 5 мб/сек)

Redbook (16/44.1kHz)	32 мб	1 мин.
24/88.2kHz	95 мб.	2.6 мин.
24/96kHz	103 мб.	2.8 мин.
24/176.4kHz	190 мб.	5 мин.
DXD (24/352.8kHz)	380 мб.	10 мин.
DSD	127 мб.	3.4 мин.

Оборудование для проигрывания DSD

Cуществует много ЦАПов, в которых используются стандартные готовые чипы, которые либо не понимаютDSD, либо конвертируют поток DSD через PCM для преобразования в аналоговый звук
Есть производители, которые создают ЦАПы, способные конвертировать DSD в аналог напрямую без обходных путей
Уже имеется много программ способных проигрывать как DSD так и PCM файцлы на Mac и PC

Открытый стандарт DSD-over-PCM (DoP)

Обеспечивает отправку данных DSD по стандартным интерфейсам PCM (например AES/ EBU, SPDIF, USBи т.д.)

Без преобразования в PCM!
Поддерживается наибольшим количеством производителей ЦАП и программного обеспечения для воспроизведения

Ссылки на внешние ЦАП

Благодаря DoP (DSD через PCM) любой стандартный интерфейс PCM может использоваться для DSD, а именно:

AES / EBU

Плюсы: длинный кабель, синхронизация
Минусы: ограниченная частота дискретизации, требуется второй канал для мастер клока

S / PDIF

Плюсы: синхронизация
Минусы: короткие кабеля, ограниченная частота дискретизации, требуется второй канал для мастер клока

HDMI

Плюсы: синхронизация, DSD
Минусы: ограниченная частота дискретизации, ограниченная длина кабеля, дороговизна, нет настройки мастер клока

USB

Плюсы: стандартный на всех компьютерах, поддержка стандартных операционных систем, открытость (может поддерживать DSD или любые будущие форматы), нет ограничения по частоте дискретизации, не требуется второй канал для мастер клока
Минусы: ограниченная длина кабеля, асинхронность

Firewire

очень похож на USB, но все менее и менее популярен среди производителей компьютеров

Источник:

http://www.proitems.ru/articles-zvukozapis/55/