CD systemet, förklaringar

[subjektivisten]

Ja, för en analog kille så är det lite av en djungel detta med CD spelare och alla möjliga samplingar mm. Så tänkte ta några grundläggande frågor och se om någon kan förklara det bra.

*Översampling, exakt vad gör det och vad är negativt och postivit med det?

*Uppsampling, finns det fördelar och nackdelar där med? Vad jag förstår så kan det även betyda att man får en samplingsfrekvenskonvertering som är negativ för ljudet? Att man bl a förlorar lite upplösning för man förlorar lite av bitarna. Och att jitter kommer bli värre.

Vi kan börja med det

[tvett]

´och jag anser dig enbart snacka en massa .´








Nej jag är nyfiken jag med.

[subjektivisten]

Vart är Morello, Svante, Öhman och Tomas när man behöver dom

[Svante]

Ja, för en analog kille så är det lite av en djungel detta med CD spelare och alla möjliga samplingar mm. Så tänkte ta några grundläggande frågor och se om någon kan förklara det bra.

*Översampling, exakt vad gör det och vad är negativt och postivit med det?

*Uppsampling, finns det fördelar och nackdelar där med? Vad jag förstår så kan det även betyda att man får en samplingsfrekvenskonvertering som är negativ för ljudet? Att man bl a förlorar lite upplösning för man förlorar lite av bitarna. Och att jitter kommer bli värre.

Vi kan börja med det

Oj, ja detta är ett stort ämne. Jag vet inte om jag kan få till en förklaring på allt det där i ett enda inlägg eller ens en enda tråd, men lite kan jag väl försöka svara på de konkreta frågorna iaf.

Översampling är när man låter en DAC eller ADC köra med en hög samplingsfrekvens och låg upplösning ("få bitar") och när signalen är inne i den digitala världen så räknar man om det till en låg samplingsfrekvens och många bitar. Så gott som alla omvandlare funkar så idag. Utom den där SACD-varianten då, som struntar i omräkningen. Det finns alltså nästan inga "riktiga" omvandlare kvar, och det beror på att det är så svårt att göra dem och att de inte är bättre.

Uppsampling är när man ökar samplingsfrekvensen på en signal. Man gör det i översamplande ADCer, men också om man behöver en viss samplingsfrekvens för att mediet kräver det, tex om man ska spela in en CD på DAT.

Det finns olika sätt att göra det, men alla har som resultat att man räknar ut vad sampelvärdena är emellan de sampel man har.

[norman]

Hmmm stämmer detta svante?
För mig betyder översampling att man i t.ex. en ADC använder högre samplingshastighet för att kunna använda branta digitala antivikningsfilter så att man klarar sig med ett flackt analogt innan. Fast jag kan ha förståss ha fel och att det inte alls kallas översampling.

edit: Kollade lite nu och såg att bägge sakerna kan kallas för översampling.

[subjektivisten]

Vad finns det för fördelar och nackdelar med dessa olika sätt då? Vad jag läst så ger uppsampling väldigt lite försämrad upplösning (läste att det hade stått i MOLT om 1/500 del av en bit)?

[subjektivisten]

Dvs, blir det någon skillnad på upplösning, brus, dist, dynamik, jitter, etc.

[Svante]

Hmmm stämmer detta svante?
För mig betyder översampling att man i t.ex. en ADC använder högre samplingshastighet för att kunna använda branta digitala antivikningsfilter så att man klarar sig med ett flackt analogt innan. Fast jag kan ha förståss ha fel och att det inte alls kallas översampling.

edit: Kollade lite nu och såg att bägge sakerna kan kallas för översampling.

Alltså, "översampling" betyder för mig bara att man samplar fortare än man ursprungligen behöver. Det ger flera vinster, dels som jag sa med att man behöver färre bitar, men också att det minskar kravet på branta analoga filter. Men själva begreppet översampling har egentligen inte med antalet bitar eller filtret att göra.

[Svante]

Dvs, blir det någon skillnad på upplösning, brus, dist, dynamik, jitter, etc.

Mja, det går ju inte att göra en 20-bitars omvandlare på konventionellt sätt, så i den meningen blir det skillnad. Det gick att göra 16-bitarsomvandlare, men de var precisionsinstrument som kostade kanske 10-20000:- 1985. Det behövde trimmas med jämna mellanrum för att den minst signifikanta biten skulle vara meningsfull.

Idag, med hjälp av översampling har man bytt precision i nivå mot samplingsfrekvens, och när man sedan räknar om det så får man samma prestanda som de där dyromvandlarna från förr hade.

Det är egentligen inte särskilt intressant att prata om de gamla omvandlarna längre, eftersom de knappast finns. De fyller en funktion när man ska förstå sampling, men som sagt, man gör inte så längre.

[subjektivisten]

Nu hänger jag inte med Svante
Om vi spelar en CD skiva i en spelare och den:

1. Översamplar
eller
2. Uppsampling med en samplingsfrekvenskonvertering.

Vad kan man förvänta sig för fördelar och ev nackdelar? Kommer något ge mer jitter, mindre jitter, mer brus, mindre brus. etc.

tackar

[Svante]

Nu hänger jag inte med Svante
Om vi spelar en CD skiva i en spelare och den:

1. Översamplar
eller
2. Uppsampling med en samplingsfrekvenskonvertering.

Vad kan man förvänta sig för fördelar och ev nackdelar? Kommer något ge mer jitter, mindre jitter, mer brus, mindre brus. etc.

tackar

Alltså, har du nån konkret apparat som gör det här, eller? Det verkar vara terminiologistrul, detta. Vad menar du att det är för skillnad på de två?

[subjektivisten]

Nja, det hela starta när jag läste en gammal arkiverad tråd på ett annat forum och uppsampling. Då skrev en såhär:

"Sampleratekonvertering är bara dumt. det blir aldrig bättre eftersom man med fördel kan använda vanlig översampling utan dom problem en konvertering medför."



Skillnaden mellan uppsampling och översampling, är att det uppsampling kan innebära översampling + samplingsfrekvenskonvertering där frekvensen ej är jämna multiplar av ursprungsfrekvensen.
Om man skulle gå från 44,1kHz till 88,2kHz eller till 176,4 så kan man betrakta det som vanlig översampling, det är som Tomas säger bara att skjuta in noll-sampel emellan som sedan får ett värde i digitalfiltret. (Exakt rätt värde blir det som digitalfiltret beskrivs av sinc'en, har jag för mig).

Om man däremot går från 44,1 till 96 eller 192kHz, är konverteringen inte bara jämna multiplar, det innebär en omräkning med en viss precision där man förlorar lite upplösning. Om man samtidigt går från 16bitar till 24bitar blir förlusten (enligt något jag läst i MoLt) 1/500 bit vilket ju är försumbart. Går man från 16 bitar till 16bitar, blir förlusten en halv bit.

Värre är kanske att jittret blir cementerat för alltid i och med den omklockning som sker vid uppsampling. Allt hänger då på att signalbehandlingen har mycket hög precision. Mao, detta innebär möjliga problem.


Om uppsampling innefatttar en sampleratekonvertering så kan det bara bli sämre. Dels med ett ökat brus och dels med jittertillägg i form av ett extra klockningssteg. Visst kan det låta annorlunda men då beror det troligen på dessa tillkortakommanden."


Så det jag undra var om det var rätt detta? Och man kan generalisera det så? För man läser ju i tidningar ibland alla möjliga former av omvandling som ska ge bättre ljud.

[Richard]

Uppsampling/ sampleratekonverter: Här klockar man om den digitala signalen till en högre frekvens än den som finns på skivan. Man kanske låter cd: ns 44,1 khz samplingsfrekvens läsas av vid 96 khz istället.
Då måste man räkna om datan, vilket kan innebära en ökad jitterrisk om man inte använder precisionsklockor för jobbet, vilket är det man oftast använder, annars är det ingen vits med uppsampling, som annars riskerar att låta sämre än original samplingsfrekvensen, utan uppsampling.

Översampling innebär att man man räknar om signalen t.ex. fyra gånger, vilket blir ca 176 khz för en vanlig cd-skiva. Detta är en mycket simplare räkning av data än uppsampling. Detta gör man för att de analoga filter, som sitter i nästan alla cd-spelare, skall bli så enkla som möjligt att konstruera.

( Rätta mig gärna, Svante, om jag är ute och cyklar. )

[Naqref]

oversampling=synkron uppsampling

Det har funnits i CD-spelare sedan 80-talet och är inget nytt.

Nuförtiden så finns det cd-spelare med src (sample rate converter) och de utnyttjar oftast asynkron uppsampling (vanligen 44.1 till 96 eller 192). Eftersom de flesta dacar idag kör med oversampling som ger omvandlingsfrekvenser på flera hundra kHz så är det rätt dumt att köra med asynkron oversampling med alla de möjliga fel det kan innebära. Wot helt enkelt.

[rylandes]

Det är som Svante säger ett jätteämne men om vi struntar i A/D sidan och koncentrerar oss på D/A efter tex CD verket så finns det flera olika orsaker men det viktigaste är att man lyfter upp de störande *produkterna till en högre frekvens. Alltså långt ovanför 20kHz, dubbla eller mer.

Vilket gör att man kan använda enkla, plana och okomplicerade filter för att ta bort produkterna. Annars måste du ha branta dyra och komplicerade filter som själva ger andra problem.

Nu görs ju översampling ofta inuti själva D/A kretsen vilket förenklar det hela.

* Störande produkter: Trappstegseffekter från själva D/A omvandlingen mm. Så filtret fungerar också som ett utjämningsfilter.

Sten R

[IngOehman]

Det här är ett så intressant (men komplext) ämne att det kanske är läge för ett seminarium?

Tror jag skulle kunna ägna i varje fall 3-4 timmar åt att prata om det - och alla tänkbara konsekvenser som kan uppstå.


Korsvar:

Översampling betyder att man använder än högre samplingsfrekvens än den samplingsfrekvens (egentligen ordfrekvens, sampling är ju själva provtagningen) man kommer att lagra (ADC), eller har lagrat (DAC).

Poängen med översampling är att analoga filtreringarna kan göras betydligt flackare. Det gäller både anti-vikningsfiltret vid AD-omvandlingen (så man slipper speglingstoner i audiobandet från registret över det hörbara området) och det filter som tar bort rekvantiseringsprodukterna vid DA-omvandlingen som hamnar över de högbara området.

Det är den lagrade ordfrekvensen (kallas också för det mesta samplingsfrekvens) som avgör vilket faktiskt spektralt område (vilken bandbredd) som representeras av algrade data, inte själva samplingsfrekvensen vid AD- och/eller DA-omvanlingarna.


Översampling har ingenting att göra med att minska antalet bitar i AD- och DA-omvandlarna, men det ger möjlighet att göra det - om man dessutom ser till att återställa upplösningen i amplitudled, med hjälp av noise-shaping.

Noise shaping kan beskrivas som en metod att "hålla koll på" de avrundningsfel som uppstår på grund av få bitar, så att man kan se till så att de inte skapar varken döva ögonblick eller signalrelaterade olinjäriteter - det vill säga se till så att de i snitt över ett lagrat sample, blir så små som möjligt och att de spektrala produkter som bildas inte blir harmoniska övertoner utan brus, och i förekommande fall dessutom försöker placera bruset utanför det hörbara området, eller i delar av området som har lägre hörbarhet än andra delar.

Enbitsteknik är ett extremfall där man förlitar sig till 100% på noise shaping för att approximera den analoga utsprungssignalen. Med enbitsteknik har man ett så kallat "fulleffektsystem". Det vill säga man formar ett brus som ALLTID har samma fulla uteffekt (om det föll över ett resistivt motstånd) men ett med musiksignalen varierande spektrum, vilket i praktiken betyder att bruset i huvudsak ligger över det hörbara området när musiksignalen är tyst eller saknas, medan det förskjuts nedåt i frekvens när det skall föreställa musiksignalen. Det blir en sorts gungbrädeeffekt, och man kan faktiskt se att HF-skräpet försvinner signifikant när musiken blir starkare och vice versa.


Med uppsampling menas oftast en asynkron samplingsfrekvenskonvertering. Det betyder att in- och ut-ordfrekvens inte behöver förhålla sig till varandra som enkla matematiska samband (*2, *4, *8...). Nackdelen med uppsampling är att det riskerar att permaneta spektralt smuts som kommer av jitter i in-ordfrekvensen.

Trots en fullständigt jitterfri utsignal kan alltså signalen vara intrinsiskt jitterskadad efter en asynkron uppsampling.


En sak som är intressant med översampling i DA-omvandarled, är att man kan välja mellan noise-shaping och överbitantal tämligen godtyckligt. Vill man bevara den ursprungliga upplösningen, t ex 16 bitar om det är en CD-signal det handlar om, kan man klara sig med en 16-bits DAC bara om man noise shapar, eftersom de mellanvärden som översamplingen ger / digitalfiltret räknar ut (sinX/X), kan ligga på nivåer på bråkdelar av ett trappsteg. Har man en 16-bitsomvandlare (eller 14, eller 1...) så måste man därför tillgripa noise shaping för att utsignalen skall kunna trolla bort (förflytta till över det hörbara området) alla avrundningsfel som uppstår. Om DAC:en är riktigt högupplöst, t ex 24 bitar är inte noise shapingen nödvändig dock eftersom den 256 ggr bättre upplösningen räcker gott för att representera även de nyframräknade mellanvärdena.


Ännu en viktig komponent i sammanhanget är hur dither relaterar till alltihopa, men det får vi ta vid något annat tillfälle. Kanske vid det där seminariet? Och då förstås tillsammans med lite mera utförliga beskrivningar av allt det andra.


Vh, iö

[Svante]

Översampling har absolut något att göra med att minska antalet bitar och det behövs inte alls noise shaping för att åstadkomma det:

Om vi tar exemplet 16 bitar 48 kHz så gäller följande: Man får ungefär 96 dB SNR, idealt, några dB hit eller dit. Kvantiseringsbruset blir, om man inte gör något speciellt, vitt. Det betyder att all brusenergi ligger lika distribuerat mellan 0 och 24 kHz.

Om vi nu tar exemplet 16 bitar 192 kHz så gäller följande: Man får ungefär 96 dB SNR, idealt, några dB hit eller dit. Kvantiseringsbruset blir, om man inte gör något speciellt, vitt. Det betyder att all brusenergi ligger lika distribuerat mellan 0 och 96 kHz.

I det senare fallet är bruseffekten 1/4 i området 0-24 kHz, eller 6 dB lägre. Detta betyder att det räcker med en 15-bitars omvandlare om man vill ha samma SNR i det hörbara området, och om man översamplar en faktor 4. Enbart av att man översamplar, alltså.

Lägger man noise shaping till detta kan man få ännu mer av brusenergin att flyttas upp över 24 kHz och då klarar man sig med ännu färre bitar.

Så: översamplingen i sig minskar behovet av amplitudupplösning, och adderar man noise shaping så blir det ännu bättre.

Själv använder jag begreppet omsampling (=uppsampling eller nersampling) till alla metoder att byta samplingsfrekvens. Det har inget att göra med heltalsförhållanden, även om metoderna kan vara olika för heltals-/icke heltalsförhållanden.

Jag menar, varför skulle konvertering från 48 kHz till 96 kHz inte vara uppsampling?

Edit: Ovanstående förutsätter att man använder ditherbrus. Vid låga nivåer utan ditherbrus blir inte spektrum på störningen vitt, men en stor del av energin hamnar ändå vid höga frekvenser. Detta är iofs rätt ointressant eftersom man alltid har ditherbrus i vettiga system.

[IngOehman]

Tro och tyck så om du vill.


Vh, iö

- - - - -

PS. Kvantiseringsbruset blir inte vitt om man "inte gör något speciellt med det". Det blir signalberoende och kallas ofta kvantiseringsdistorsion.

I AD-led kan dither (före ADC) eller brusformning (efter högupplöst ADC, före lågupplöstare lagring) minska bruset inom hörbara området om man översamplar, och även i DA-led kan brusformning (före DAC) göra det. Men det betyder inte att översampling handlar om att använda färre bitar.

Påståendet...

Översampling är när man låter en DAC eller ADC köra med en hög samplingsfrekvens och låg upplösning.

...är helt enkelt felaktigt. Översampling inbegriper inte per automatik att köra med låg upplösning. Översampling betyder bara det som det låter som - att sampla med en högra frekvens än den ordfrekven ma lagrar. Däremot ger detta (som jag skrev tidigare) möjlighet att för samma slutupplösning minska omvandlarnas upplösning. Det utnyttjade t ex Philips i sin allra första CD-spelare CD100 från 1982. Den hade en DAC med endast 14 bitars upplösning.

System som varken är dithrade eller har noise shaping i AD-processen blir inga roliga system när man närmar sig tystnad. Därför gör man ofta något speciellt med dem. Det gäller dock inte 24 bitssystem som ofta lämnas som de är eftersom man utgår ifrån att det brus som finns naturligt från analoga kretsar är tillräckligt.

Den som vill läsa mer om sådant här kan läsa artikeln i MoLt "sommaren 1990" i ämnet.

[Svante]

Den som vill kan ladda ner ett program som jag brukar använda på mina föreläsningar. Det "samplar" en digital signal, som från början genereras med 48000 Hz, i tex 4000 Hz. Effekten av detta blir nästan som att man hade samplat en analog signal med 4000 Hz. Man kan se vikningsdistorsion, prova att lägga dit antivikningsfilter och dither osv. Noise shaping finns inte med dock.

http://user.faktiskt.io/svante/adda.exe

Passar bra att titta på spektrumet med RTSect:

http://user.faktiskt.io/svante/rtsect/

[IngOehman]

Ingen har förnekat det du visar (har inte tittat på det än, men tror jag vet vad du vill visa).

Inte jag i varje fall.

Jag protesterade bara mot ditt påstående om att begreppet översampling inkluderar att man samplar med låg upplösning.

I själva verket kan man lika gärna argumentera att man behöver högre upplösning när man översamplar*. Det beror bara på från vilket håll man väljer att se det.


Vh, iö

- - - - -

*Det är därför så många CD-spelare använder DAC:ar med mer än 16 bitars upplösning, trots att CD-systemet bara lagrar musiken med 16 bitars upplösning.

[Svante]

Vill man lyssna på kvantiseringsbrus/kvantiseringsdistorsion kan man prova de här som jag gjorde i ordning till en annan diskussion:

http://user.faktiskt.io/svante/quant/

Speciellt brukar jag använda dessa för att visa hur bra dither är. De är kvantiserade till fyra bitars upplösning och den senare har triangulärt dither tillagt före kvantiseringen. Lyssna hur distorsionen försvinner (det är alltså inte så att den maskeras av bruset, utan den försvinner verkligen*):

http://user.faktiskt.io/svante/quant/firebird4none.wav
http://user.faktiskt.io/svante/quant/firebird4tri.wav

*Edit, nåja, den blir brus.

[tvett]

Semantik igen? Översampling som begrepp eller översampling så som man "brukar" använda det?

[IngOehman]

Njae, båda infallsvinklarna ger nog samma svar.


Den för de flesta mest kända applikationen är nog i CD-spelare före DAC:en.

Det normala är i de fallen att digitalfiltret (som gör den översampling man brukar tala om) släpper ifrån sig en utsignal med FLERA bitars upplösning än insignalen. Därefter ansluter man en DAC ofta med 24 bitars upplösning (nuförtiden), eller i varje fall med en ingång som hanterar 24 bitar.

Sedan förekommer det att DAC:en i sig själv har en ytterligare översampling (ofta en linjär då och inte en harmonisk*), Den senare görs inte sällan med högre ordningens noise-shaping - med avsikt att kunna gå ned i bitantal.


Vh, iö

- - - - -

*(SinX)/X

[Tumme]

Det finns väl dom som använder dubbla 24 bitars DA omvandlare per kanal. Vad får man för fördelar med det om 24 bitar är tillräckligt?. eller finns det andra förklaringar?.

Thomas

[Max_Headroom]

Trots en fullständigt jitterfri utsignal kan alltså signalen vara intrinsiskt jitterskadad efter en asynkron uppsampling.

Vh, iö

Bra svar i övrigt Ingvar, men kan någon förklarar ordet intrinsiskt ? Max är måttligt bildad ämnet och kan behöva hjälp på traven...

[dimitri]

internt

[Style]

internt

snarare inneboende

[IngOehman]

Jepp!

[subjektivisten]

Intressanta inlägg, tackar boys.

[Morello]

Det finns väl dom som använder dubbla 24 bitars DA omvandlare per kanal. Vad får man för fördelar med det om 24 bitar är tillräckligt?. eller finns det andra förklaringar?.

Thomas

Man kan släcka asymmetriska olinjäriteter med en sådan lösning.