1Bit Audio als Alternative zu PWM

Gilbert F schrieb:
> Nun verwenden ja z.B. viele CD-Player "1-Bit DACs". Wenn ich es richtig
> verstehe wird hierbei aus dem PCM Signal eine Bitfolge generiert welche
> dann z.B. mit etwa 2MHz ausgegeben und analog Tiefpassgefiltert wird.

http://de.wikipedia.org/wiki/Pulsdichtemodulation

> Was spräche also prinzipiell dagegen eine solche Sequenz vorab zu
> berechnen (Ich vermute für eine Liveberechnung ist ein typischer 8bit
> MCU nicht leistungsfähig genug), auf einer SD-Karte abzulegen und dann
> mittels eines Timers und ISR auszugeben?

Bei 8-Bit-PCM -> PWM brauchst du nur ein Byte pro Sample.
Bei PDM musst du die Einzel-Bits mit den vollen 2Mbit/s von der SD-Karte 
zum I/O-Pin schaufeln.

@ Gilbert F (Gast)

>Nun verwenden ja z.B. viele CD-Player "1-Bit DACs". Wenn ich es richtig
>verstehe wird hierbei aus dem PCM Signal eine Bitfolge generiert welche
>dann z.B. mit etwa 2MHz ausgegeben und analog Tiefpassgefiltert wird.

Viel mehr als 2 MHz. Nennt sich Sigma-Delta Wandler.

>Was spräche also prinzipiell dagegen eine solche Sequenz vorab zu
>berechnen (Ich vermute für eine Liveberechnung ist ein typischer 8bit
>MCU nicht leistungsfähig genug), auf einer SD-Karte abzulegen und dann
>mittels eines Timers und ISR auszugeben?

Der unsinnige Resourcenverbrauch. Heute gibt es billige MP3 Dekoder, die 
kann jeder Arduino-user ansteurn. Fertig.
Für einfachere Anforderungen tut es auch 8 Bit Sound mit 22kHz, war in 
den 1980er der neueste Schrei bei den 16 Bit Systemen ala Atari, Amiga & 
Co.

Beitrag "1-bit audio example program for Atmega"

Audio Phil schrieb:
> Warum muss man denn überhaupt 1 Bit Audio verwenden
Frage ich mich auch. Vielleicht nicht mehr Pins frei? ;-)

Audio Phil schrieb:
> Einfach auf einen billigen 1,90 DAC und fertig.
Oder nur 10 Cent, siehe
Beitrag "DAC-Erweiterung mit TDA1311/PT8211?"
Braucht aber 3 Pins für 2 Kanäle, also einen mehr.

c-hater schrieb:
> Franz schrieb:
>
>> Oder einen dsPIC33FJ64GP802 mit einem integriertem 16-bit Dual Channel
>> DAC.
>
> Gibt's den auch in DIL?
>
> (Frage nicht wirklich ernst gemeint...)

Ja. SDIP28.

Die Antwort ist ernst gemeint.

Ist das hier der große Technikratethread?

Bei den 1-Bit DACs handelt es sich um Sigma-Delta Wandler:

http://de.wikipedia.org/wiki/Delta-Sigma-Modulation

Prinzipiell kann man so etwas sehr einfach in Software auf einem MCU 
programmieren. Sieht in etwas so aus:

1

uint 16_t accu=0;

2

uint 8_t adc_value=123;

3

4

while (1) {

5

6

    accu+=adc_value;

7

8

    if (accu&0x100) PORT=1; else PORT=0;

9

}

Blöd ist nur, dass die CPU dann nichts anderes machen kann.

Vielleicht bastelt ja jemand mit einem hoch getakteten PWM einen 
Multi-Bit Sigma-Delta DAC? Dann könnte noch genug CPU Zeit frei bleiben.

p.s.: Die Audio DACs verwenden üblicherweise 64faches oversampling und 
einen Modulator mit Ordnung>1.

Tim    schrieb:
> p.s.: Die Audio DACs verwenden üblicherweise 64faches oversampling und
> einen Modulator mit Ordnung>1.

Na, dann machen wir es mal konkret: Der, den ich im Studiowandler habe, 
arbeitet auf 256fach oversampling, nutzt non linear predistortion und 
noise shaping /dithering für die Ausgabe. Das kann man in einem AVR 
nicht mehr nachbilden. Da geht gerade noch in einem FPGA, da aber auch 
nur bedingt wirtschaftlich. Die Wandlerpreise machen es möglich.

chris_ schrieb:
> Hier ein paar Versuche mit der 1 Bit wandlung auf dem Arduino:
> http://www.hobby-roboter.de/forum/viewtopic.php?f=5&t=141

| digitalWrite(13, HIGH);

Wenn Du das hier weg lässt, wird die Schleife 50x schneller...

PCM ist doch sozusagen die Bruttoinformation, wenn das binäre Format 
dekodiert wurde. Das kann weder besser, noch effektiver sein.

Thomas W. schrieb:
> Mir ginge es darum, zu verstehen, wie es wäre, wenn man gar nicht
> erst PCM speichern würde, sondern direkt die Delta-Sigma-Daten.
Das ist dann wieder DSD, aber wie hier und auch an anderer Stelle 
diskutiert, ist der Vorteil eben nicht oder kaum hörbar - wenn auch 
theoretisch vorhanden.
Um es nochmal vereinfachend zu sagen, ist die Reduktion des 
Informationsgehalts des Modulatorsignals durch die Dezimation runter auf 
das übliche Audioformat von 16kHz@44kHz durchaus signifikant - bei dem 
"Zwischenstopp" auf 24Bit@192kHz aber eben nicht. Dieses Format ist 
ausreichend gut. Messtechnisch kann man die Unterschiede meistens 
zeigen, mathematisch immer. Zu Hören sind sie praktisch nicht.

Um zu verstehen, dass ein unverändertes Signal (das vom 1-Bit Wandler) 
grundsätzlich besser ist, als ein etwa dezimiertes (das aus dem 
AD-Wandler parallel rauskommt) braucht man keine japanische Universität. 
Unter der Voraussetzung, dass ein Delta-Sigma-Wandler sauber 
funktioniert, ist das immer das Beste, das zu speichern und zu behalten. 
Aber:

"sauber funktioniert" ist eine Definitionsfrage. Das Sigma wird 
idealisiert als lineares Integral angesehen und erfordert zur 
Rekonstruktion eine Schaltung, die es in der Praxis nicht gibt - 
jedenfalls nicht perfekt. Daher kann man da "drehen", ohne jetzt zu sehr 
in die Details zu gehen und auf reale Filter optimieren.

Entscheidend ist aber die Rate! Wenn man das "1-Bit" mit einem 
entsprechenden parallelen ADC vergleicht, hat der immer die schlechtere 
Auflösung. Nur bei genügendem Abstand zwischen DSD-Frequenz und Fs gilt 
die Behauptung. Bei DSD64 gilt das definitv nicht. So ist es auch zu 
erklären, dass einige Dokumente zu der Schlussfolgerung kommen, dass 
1-Bit-Audio schlechter sei, während andere das Gegenteil behaupten. Es 
geht einfach um den head room der Frequenz.

Ob es in einer konkreten Anwendung sinnvoll ist, bei DSD zu bleiben, 
hängt vom Anspruch ab:

Bei der reinen Speicherung und Wiedergabe, sind 192kHz ausreichend. So 
erklären sich die Ergebnisse des Hörversuchs des ETI Detmold.

Wenn man aber das Signal modulieren will, z.B. um es in einem 
Synthesizer abzuspielen und schneller zu machen, Vibrato draufzugeben, 
etc - dann ist das mit DSD nicht nur einfacher, sondern auch genauer und 
mit weniger Fehlern behaftet. Schon das resampeln auf z.B. 48kHz statt 
44,1 ist mit einem 1-Bit Signal aus dem Modulator genauer, besonders, 
wenn es in Echtzeit sein soll.

Was man sagen grundsätzlich kann:

Bei der Dezimation muss man Annahmen über Profil und Grenzfrequenz das 
Rekonstruktionsfilters machen, was praktisch nicht geht. Damit hört sich 
PCM auf unterschiedlichen DACs auch unterschiedlicher an.

Bei DSD ist es weniger wichtig, ob ein Filter bei 18 oder bei 20kHz 
beginnt zuzumachen und wie der Verlauf ist, weil das hochfrequente 
Signal das besser wegdithered.

Aber wie weiter oben schon gesagt: Man kann es meistens nur messen und 
berechnen, nicht aber hören. Das liegt beim Audio einfach daran, dass 
Mikrofone viele Probleme haben, Höhen sauber omnidirektional und linear 
aufzunehmen und Lautsprecher wiederum ebenfalls es kaum schaffen, sie 
korrekt abzubilden.

Es war auch nicht so gedacht. Die Argumentation ist, dass man im 
digitalen Pfad keine abartig höhere Genauigkeit benötigt, als andere 
(analoge oder mechanische) Komponenten in der Kette vorgeben.

Mich stört generell, daß nicht wenige immer wieder den Blick auf eine 
Komponente in der Signalkette richten und da bis zum geht nicht 
optimieren und andere, viel relevantere Dinge ignorieren. Lautsprecher 
sind da ein Thema und auch Mikros. Die Unterschiede in der Qualität der 
gespeicherten Daten unterschiedlicher Formate sind oft marginal gegen 
die Artefakte am Beginn und Ende der Audiokette.

Pallhuber schrieb:
> Da bitte Ich doch mal um eine Erklärung, wieso man hier mit dem Einfügen
> von Nullsamples "gut weg" kommt. Was soll das bringen?

Na, die samples, die durch das erhöhte Abtasten "eingefügt" werden, 
müssen ja einen Wert haben, also irgendwie belegt werden.
Die Idee, Nullen einzufügen, rührt aus der Überlegung, keine Information 
hinzufügen zu wollen. Das funktioniert natürlich nur bei Daten, die ihre 
Nulllinie auf der Achse haben.
Bei unsymmetrischen Datenströmen mit Offset hat man da ein Problem. Dann 
wäre das Einfügen des Offsets die Lösung. Dies gelingt aber aus 
praktischen Gründen nicht immer:

Beim Audio ist das deshalb meistens schlecht, weil es gleichstromfrei 
übertragen wird. Real mittelt sich jeder Gleichanteil, den man hat oder 
erzeugt, mehr oder weniger weg und genau dieses "mehr oder weniger" ist 
der Punkt:

Er mittelt sich immer ein bischen weg, weswegen das Einfügen der Null 
(auch bei symmetrischem Datenstrom) versagt.
Er mittelt sich aber nicht perfekt weg, weswegen es nur eine lokale 
Nulllinie gibt und das Einfügen eines berechneten BIAS versagt.

Es gibt also praktisch einen BIAS-Fehler, der sich je nach Filter am 
Ausgang und Analogpfad etc auswirkt.

Der Filter ist dabei das größte Problem:

Das Einfügen der Nichtinformation per Null oder des BIAS-Wertes gelingt 
nur theoretisch, weil es bei der Rekonstruktion ein ideales Filter 
benötigt.
Da es das nicht gibt, bekommt man immer Fehler im Signal. Daher braucht 
es auch bei ganzzahligen Abtastverhältnissen immer ein 
Interpolationsfilter vor der Ausgabe. Bei Audio stimmt man das einfach 
auf die Bandbreite, z.B. 20...20.000 Hz ab. Dann hat man eine 
ausreichend gute Interpolation mit korrektem BIAS-Wert. Mit der Annahme 
eines guten Rekonstruktionsfilter, kann man etwas konservativer sein und 
das Filter auf 10Hz bis Nyqust der Abtastung auslegen.
Auf diese Weise sind quasi 2 Interpolationsfilter in Reihe geschaltet, 
wobei das eine idealerweise die Probleme des anderen vermeidet.

Wenn z.B. am Ausgang ein analoges mehrstufiges IIR sitzt, neigt das zum 
Schwingen, wenn es durch die Sprünge angeregt wird. Das ist praktisch 
überhaupt nicht mehr der Fall, wenn man die Werte aus einfachen 
Mittelwerten bildet, wodurch nur noch Knicke überbleiben.

Es gibt noch ein weiteres Argument für die Vorinterpolation:

Der Pegel des Signals reduziert sich nicht. Wenn man ein Signal um 
Faktor 3 hochsampelt, hätte man ansonsten nur ein Drittel des Pegels. 
Das macht nur bei rein digitaler Weiterverarbeitung keinen Unterschied, 
wohl aber, wenn das Signal auf einen Analogfilter geht.

Das DSD hatten wir ja schon oben diskutiert. Ich greife die Frage aber 
mal auf:

Wer hört denn hier DSD-Audio?
(und noch wichtiger) Über welche Hardware?

Zur Verdeutlichung des Thema Zero-Inserting bei den Samples noch diese 
Grafik:
http://96khz.org/oldpages/digitalupsampling.htm

Jürgen S. schrieb:
> Mich stört generell, daß nicht wenige immer wieder den Blick auf eine
> Komponente in der Signalkette richten und da bis zum geht nicht
> optimieren und andere, viel relevantere Dinge ignorieren. Lautsprecher
> sind da ein Thema und auch Mikros.

Vor allem sollten auch manche High-End-Fetischisten einsehen, dass in 
den Studios, in denen die Tonträger aufgenommen wurden, auch nur mit 
Wasser gekocht wird, d.h. zwar großenteils eine technisch hochwertige 
Ausstattung der jeweiligen Zeit verwendet wird, aber eben keine bei 
Vollmond aus handgewalztem Silber handgeklöppelten und mit levitiertem 
Weihwasser gespülten, armdicken monokristallinen Litzen. Und dann meinen 
solche Leute, mit ihren esoterischen Anlagen irgendwelche Klangdetails 
in Aufnahmen aus den 1930er bis 1960er Jahren entdecken zu können, als 
man den Umstieg vom Tondraht zum Magnetband gerade mit Mühe geschafft 
hatte und im Vergleich zum Bandrauschen selbst die Niagarafälle als 
schalltoter Raum gelten müssten.

Andreas S. schrieb:
> Vor allem sollten auch manche High-End-Fetischisten einsehen, dass in
> den Studios, in denen die Tonträger aufgenommen wurden,

Ja die Sache ist äußerst ambivalent! Selbst in den Studios sitzen nicht 
überwiegend sachlich denkende Ingenieure, sondern self made mixer, die 
sich traditionell audio engineer nennen und dort findet man Leute, die 
nüchtern und klar geradlinig produzieren und auch konsequent die 
Verbesserung der Aufnahme und Speicherung von Audiodaten vorangetrieben 
haben und es gibt die, welche irgendwelche Artefakte als grossartig und 
warm erachten.

Aus dem Grund halten sich in den Studio nach wie vor stark färbende 
Mikrofone, alte Mikrofeone, klangverfälschende Lautsprecher und 
Analogaudiotechnik, die mehr Gemüse erzeugt, als Probleme der 
Digitaltechnik zu umgehen.

Die Schwierigkeit ist, dass heute existierende Audiosignale aus allen 
Epochen stammen und unter verschiedenen Strategien erzeugt wurden. Man 
erinnere sich nur an die exorbitanten Lautsprecher von Grundig mit ihren 
Kugeln und anderem. Viele dieser Mischungen nehmen auf die 
Hörgewohnheiten und Abspielsysteme Rücksicht.

Somit ist es bisweilen schwierig, sehr neutral klingende Mikrofone und 
neutrale Lautsprecher zu verkaufen oder umgekehrt Mischungen in den 
Markt zu bringen, die solche Systeme erfordern. Es klingt oft 
langweiliger, weniger druckvoll und luftig.

Daher schneiden verfärbende Komponenten im Hörtest oft besser ab und die 
Leute kaufen holzige Lautsprecher, Röhrenverstärker und Klangverbesserer 
der unterschiedlichsten Sorte.

Jürgen S. schrieb:
> Selbst in den Studios sitzen nicht überwiegend sachlich denkende
> Ingenieure,

sondern es bestehen natürlich auch kommerzielle Zwänge, insbesondere 
natürlich bei kleinen Klitschen, in denen höchstens in paar Hobbymusiker 
ihre Demoaufnahmen machen lassen. Wobei dies heutzutage sicherlich eher 
am heimischen PC erfolgt. Gerade wenn man sich einige sehr frühe 
Aufnahmen von "Die Ärzte" anhört, kann man sehr sicher sein, dass die 
klangliche Unvollkommenheit nicht unter künstlerischen Aspekten 
entstanden ist, sondern weil es billig und einfach sein musste. Wer dann 
heute solche Aufnahmen auf seiner High-End-Kunstinstallation abspielt, 
wird da aber sicherlich mühelos alle möglichen Intentionen und 
Klangerlebnisse hineininterpretieren können.

> Viele dieser Mischungen nehmen auf die
> Hörgewohnheiten und Abspielsysteme Rücksicht.

Früher war das Radio das Tor zur Welt, und der Stolz jeder wohlhabenden 
Familie war die Musiktruhe, für die man locker ein halbes Jahresgehalt 
hinlegte. Sozusagen "frühes High-End". Und dann hörte man gebannt zu. 
Heutzutage dürfte aber der Anteil derjenigen, die zuhause in der guten 
Stube Radio hören, verschwindend gering sein. Das Radio dudelt hingegen 
im Auto, im Büro, auf der Baustelle und in einigen Ladengeschäften, also 
Umgebungen mit vielen Störgeräuschen.

Gerade die üblichen Dudelsender optimieren also ihre Mischungen auf 
billige Kofferradios und Autoradios.

> Daher schneiden verfärbende Komponenten im Hörtest oft besser ab und die
> Leute kaufen holzige Lautsprecher, Röhrenverstärker und Klangverbesserer
> der unterschiedlichsten Sorte.

Oder sie kaufen sich grafische Equalizer und stellen darauf möglichst 
lustige Hügel ein. :-/

Der Artikel ist aber bereits 20 Jahre alt und damals waren andere 
Abtastraten üblich. Die 96kHz-Technik z.B. war damals erst am Anfang und 
in guter Ausführung nur in Studiowandlerkarten zu bekommen. Folgt man 
dem Artikel, insbesondere dem Diagramm auf der 8. Seite, dann kann man 
leicht erahnen, dass die erwähnten Probleme mit den Spiegelfrequenzen 
und Verzerrungen bei den heute üblichen 192kHz schon anders aussehen und 
sich deutlich weiter oben im Band bewegen.

Bei der typischen Energieverteilung im Audiospektrum eines Mastertracks, 
sind auch nur wenige %-te des Anteils von nennenswerten Verzerrungen 
betroffen. Anders sieht es aus, wenn man eine Welle mit dedizierte 
Frequenz im Bereich 3-5kHz erzeugen will. Da sind 192kHz ziemlich der 
Rand des Akzeptablen.

Das gilt im Verbund mit anderen Wellen in der Musik ebenfalls, nämlich 
dann, wenn man die Wellen weiterverwenden möchte und auf exakte 
Abbildung angewiesen ist, wie beim Phasing, der FM-Modulation und 
anderen Phaseneffekten, die hohe Spektralanteile erzeugen können.

Da muss man dann mit der Abtastfrequenz noch weiter höher gehen.