Direct Stream Digital vs. PCM

Was man an digitalem Audio verbessern könnte? So einiges. Nachdem man nun sagen kann, dass die schlimmste Phase des Loundness Wars überstanden ist und somit eigentlich nur noch Pop Musik davon betroffen ist, kam man auf die Idee, einen neuen Standard zum speichern von Digitaler Musik zu entwickeln. „Warum eigentlich? CDs funktionieren doch wunderbar!“, könnte man da sagen. Aber nein, das tun sie nicht.

Als digitales Audio so die ersten Anfänge hatte, da war musste man ganz schön tief in die Tasche greifen, um ein ordentliches Gerät zu bekommen. Warum? Nun, das hat mehrere Gründe. Zum einen, weil es bei 16 Bit Audio einfach unglaublich schwierig ist, so ca 65 tausend unterschiedliche Spannungen so genau zu treffen, sodass es sich auch noch gut anhört und zum anderen, weil beim Aufnehmen ein ziemlich guter Filter gebraucht wird, um die höheren Frequenzen davon abzuhalten, in das Innere eine ADC (Analog Digital Converter) zu kommen und für unangehnehmes Alising zu sorgen.

So hat man also zwei große und wichtige Faktoren, die beachtet werden müssen, wenn man ein PCM Signal in eine saubere elektrische Welle umwandeln möchte oder eben umgekehrt.
Sowohl ein guter Filter, als auch ein 16 Bit DAC sind unglaubich schwierig um standartmäßigen Design günstig herzustellen und hier kommt PWM (Pulsewidth Modulation) ins Spiel. Wie trifft man also 65 tausen unterschiedliche Spannungen korrekt? Genau, gar nicht. Das ist die Lösung. Wer weiß, wie ein PWM signal funktioniert, der kann sich schon vorstellen, wie das aussieht. Denn man macht aus den 16 Bit ganz einfach 4 Bit. Bleiben noch 16 Spannungen. Das ist einfach zu machen. Aber wie kann man jetzt damit ein 16 Bit Signal ausgeben? Nun, man schaltet diese 4 Bit einfach auf einer unglaublich hohen Frequenz und benutzt PWM, um Spannungen zu erzeugen, die nicht direkt von dem 4 Bit DAC erzeugt werden können, einfach, indem man schneller oder weniger schnell das Signal ein und auschaltet. Wer allerdings weiß, wie ein PWM Singal aussieht, der weiß auch, dass dadurch ein Haufen Nebenfrequenzen entsteht, der mit einem Filter, der diese nicht durchlässt, ganz einfach behoben werden kann. Voila, man hat die billigste Version eines PCM DACs, die sich heutzutage in so ziemlich allen Geräten finden lässt. Einfach zu produzieren, billig zu produzieren und klingt erstaunlich gut.

Und was ist dann DSD?

Naja, dieser 4 Bit-hybrid DAC ist im Endeffekt eine verkomplifizierte Version eines DSD DACs. Der Erfinder von DSD hat sich nämlich gedacht: „Hey, was wäre denn, wenn wir einfach nur eins von diesen vier Bits nehmen und komplett mit dem PWM Prinzip arbeiten?“ Und genau das wurde gemacht. Man hat ganz einfach ein einziges Bit, das extrem schnell geschalten wird, im Bereich von mehreren Megahertz. Damit kreiert man einfach ein PWM Signal, dessen Level man dann zwischen 100% und 0% Spannung regelt und am Ende hängt man noch einen Filter dran, der einfach diese extrem hohe Frequenz herausfiltert. Und weil Filter für solche Sachen sehr einfach sein können, da die Frequenz so hoch ist, reicht es in dem meistens Fällen, eine Schaltung mit einem Kondensator zu benutzen.

Und funktioniert das gut? Oh ja! Sehr gut sogar! Es gibt von DSD noch einige andere Formate, die jeweils die Grundfrequenz verdoppeln, also noch genauer sind und so ziemlich alle höher klassifizierten DACs verwenden am Ende DSD, um das Signal auszugeben, weil man damit bei gleichen Kosten eine viel höhere Genauigkeit erreichen kann. „richtige“ PCM DACs gibt es meines Erachtens nicht mal mehr zu kaufen.

Klingt gut! Gibt’s auch Nachteile?

Oh ja, die gibt es. Nämlich bei der Verarbeitung von solchen Signalen. Direct Stream Digital eigent sich zwar hervorragend zur kostengünstigen und hochqualitativen Digitalisierung von analogen Signalen und ist auch spitze in der Reproduktion solcher. Was man damit allerdings nicht machen kann, das ist Audio verarbeiten. Um ein DSD Signal im Nachhinein zu bearbeiten (Postprocessing, Mastering, etc.) ist es unumgänglich, dieses Signal zuerst in PCM zurück zu wandeln, da man sonst absolut keine Möglichkeit hat, das Signal zu verändern. Zumindest sagen das Leute, die mit so etwas arbeiten und Ahnung davon haben sollten.

Und was ist dann mit SACDs? Sind das dann unveränderte Aufnahmen von der Performance? Nein, dann genau hier ist der Haken. SACDs werden zwar als Direct Stream Digital Medium verkauft, allerdings kann man zu einem Großteil davon ausgehen, dass die Aufnahme immernoch mit PCM gemacht wurde, das dann bearbeitet wird und anschließend nach DSD convertiert wird. Und dieser Prozess ist nicht lossless.

Fazit und Ausblick

DSD eigenet sich wunderbar zur Aufnahme und Reproduktion von analogen Audiosignalen, jedoch ist es nicht geeignet, um in einem Tonstudio das Audio anschließend zu mastern, die einzige Option dafür ist PCM. Dass man dabei das Audio von DSD nach PCM konvertieren muss, ist unumgänglich, aber ganz ehrlich: Das macht doch sowieso jeder PCM DAC schon so oder so, warum sollte das also interessieren? Man nimmt ganz einfach in einer extrem hohen Bitrate in DSD auf, konvertiert es dann mit einem sehr guten Algorythmus für eine sehr hohe Bitrate in PCM. Zum Beispiel von DSD512 nach PCM 32 Bit und 786kHz. Das ist zwar übertrieben hoch, aber dann kann mit mit dem Audio problemlos Arbeiten, ohne auch nur ein Stückchen davon zu merken, dass diese Konvertierung nicht verlustfrei ist, denn sie ist nahezu verlustfrei.

Was man hier auch noch anbringen sollte, das ist die Existenz von Upsampling und Downsampling Algorythmen wie dem von SoX. Denn ich denke nicht, dass auch nur irgend ein analoger Filter so gut sein kann, wie dieser digitale. Dann kann man das Problem mit den extrem hohen Frequenzen nämlich einfach digital lösen. Man filtert sie digital heraus. Dann braucht man keinen extrem teueren analogen Filter, um einen teueren ADC zu betreiben, sondern man nimmt einfach einen günstigen Filter – je höher die Lowpassfrequenz, desto günstiger sind diese Filter nämlich auch – und nimmt einen ADC, der eine sehr hohe Abtastrate hat. Jegliches Alaising kann man schließlich digital verhindern, wenn man auf die üblichen 44,1kHz gehen möchte für eine einfache CD.

Gleiches Spiel beim Endbenutzer: Wenn der DAC sowieso alles in DSD konvertiert, um es abzuspielen, dann kann man auch gleich einfach einen Prozessor das DSD Signale berechnen lassen, wenn man davor noch Dinge, wie einen digitalen Equalizer, schalten möchte. Sonst müsste man das ganze ja doppelt machen: DSD nach PCM → DSP in PCM → PCM nach DSD im DAC → DAC. So hat man nur: PCM → DSP in PCM → PCM nach DSD → DAC.

Und ob man’s glauben will oder nicht, manchmal haben Minimalisten einfach Recht, denn eine Vereinfachung des Signalwegs wird auch unweigerlich zu einer Verbesserung der generellen Qualität führen, zumindest bei den Endgeräten. Das sollte logisch verständlich sein. Genau deswegen klingt ein 2-Way Lautsprecher nämlich auch besser, als ein 3-Way Lautsprecher, wenn sie genau so viel kosten, weil der 2-Way Lautsprecher logischer Weise ein einfacheres Design hat und wenn das gescheit gemacht wird, hat man von dem 2-Way Lautsprecher mehr.

Also nochmal ganz kurz:
– Umwandeln zwischen analog und digital: DSD
– Bearbeiten von Digitalem: PCM

Wollte das einfach mal loswerden, bis zum nächsten Beitrag!