DSD: spása, nebo marketing hudebního průmyslu?
21.8.2014, Petr Štefek, článek
Tento článek si dal za úkol mírně nahlédnout pod pokličku formátu DSD pro přehrávání hudby a jeho srovnání s obligátnějším PCM. Je skutečně DSD takovou spásou a formátem budoucnosti, jak se nám jej snaží vykreslit hudební vydavatelství a výrobci?
Kapitoly článku:
- DSD: spása, nebo marketing hudebního průmyslu?
- PCM versus DSD – kde jsou rozdíly
- Formáty DSD a jejich specifika
- Nevýhody formátu DSD
- Kde kupovat hudbu v DSD?
Pokud začneme srovnávat rozdíly mezi PCM a DSD, měli bychom si také říci, jaké fyzické nosiče ve své době reprezentovaly. PCM (Pulse Code Modulation) byl zvuk zakódován na CD (Red Book 44,1 kHz/16-bitů) a používá se také jako výchozí formát pro zvuk na PC či Macu. Principiálně je PCM zcela odlišné od DSD a používá 16/32-bitovou kvantizaci při různé samplovací frekvenci (typicky 16/32-bitů). DSD naproti tomu využívá 1-bitový bitstream se samplovací frekvencí 2.8224 MHz, který je výstupem z nahrávacího zařízení ve studiu. DSD využívá tzv. „noise shapping“, který se ve výsledku podílí na redukci digitálního signálu a „zdůraznění“, co je hudbou a co je naopak určitým typem šumu (pozor, nejedná se o šum nahrávky respektive prostředí), který se posunuje ve frekvenčním spektru tam, kde je pro lidské ucho méně slyšitelný (nad 20 kHz). U DSD jsou typicky velmi vysoké frekvence, ale podrobněji o tom až dále.
DSD - Pulse Density Modulation
Hlavní rozdíl spočívá u DSD ve využití 1-bitové pulzně hustotní modulace (Pulse Density Modulation - PDM), jež zaznamenává hustotu signálů, která odpovídá analogové amplitudě signálu. V případě PCM je zaznamenávána úroveň signálu resp. jejich velikosti pomocí pulzně kódové modulace (Pulse Code Modulation – PCM). Binární záznam PCM a DSD je tedy zcela odlišný a pro jeho rekonstrukci se využívá zcela jiných principů. Díky tomu, že DSD reprezentuje bitstream, je možné pro jeho dekódování využít 1-bitový D/A převodník a „low-order“ analogový filtr. Teoretický dynamický rozsah SACD je podstatně vyšší než u CD (120 dB v pásmu 20 Hz až 20 kHz). Dnešní SACD přehrávače se ovšem pyšní frekvenční rozsahem při přehrávání od jednotek Herzů až po mnoho desítek kHz. Obecně se tvrdí, že lidský sluch není schopen postřehnout frekvence nad 20 kHz a právě z toho profituje DSD. Podle mnohých vědců je 1-bitová konverze signálu naprosto nevhodná pro využití v profesionálním audiu (Vanderkooy, Lipshitz), ale má také mnoho zastánců (McGovan, Koch, Meitner).
Proces vytváření DSD signálu je koncepčně velmi podobný tomu, když byste navrhli jednoduchý delta-sigma A/D převodník a vyloučili z procesu decimátor, který provádí konverzi 1-bitového bitstreamu na multi-bitové PCM. Bitstream je zaznamenám přímo a teoreticky už potřebujete jen jednoduchý low-pass filtr, abyste dokázali rekonstruovat původní analogový signál. Realita je ovšem taková, že 1-bitový převodník dnes nekoupíte, protože naprostá většina současných sigma-delta převodníků jsou převodníky multi-bitové. To nás přivádí do slepé uličky, protože samotné formáty pak lze jen velmi těžko mezi sebou srovnat. Pokud bychom vycházeli z čistě papírových parametrů, je alternativou pro DSD záznam PCM o rozlišení 20-bitů se samplovací frekvencí 96 kHz. Oba formáty nelze srovnávat na základě spočítaných bitrate, protože využití zcela jiných algoritmů by učinilo toto srovnání naprosto nerelevantním.
PCM (2 kanály)
16-bit/44.1 kHz odpovídá 88,200 bytů/s
24-bit/96 kHz odpovídá 288,000 bytů/s
24-bit/192 kHz odpovídá 576,000 bytů/s
24-bit/384 kHz odpovídá 1,152,000 bytů/s
32-bit/384 kHz odpovídá 321,536,000 bytů/s
DSD (2 kanály)
1-bit/2.8 MHz odpovídá 350,000 bytů/s
1-bit/5.6 MHz odpovídá 700,000 bytů/s
Je tedy zřejmé, že co se týče samotného bitrate, DSD odpovídá spíše PCM 24/96 než vyšším. V případě DSD 128 je nutné vzít do úvahy, že původní mastery byly DSD 64 a tyto formáty jsou opět získány up-samplováním originálu. Papírovými parametry (dynamický rozsah) odpovídá DSD spíše PCM 20/96, neboť vyšší formát PCM 24/96 má již výhodu teoretického dynamického rozsahu 144dB.
Další problém DSD je, že většina současných studií používá v menší či větší míře na mastering softwarové nástroje jako Pro Tools, které pracují s PCM. Kromě toho, že je to tak jednodušší, to má i další důvod, kterým je 1-bitový bitstream, který musí být zpracováván v nativním 1-bitovém prostředí, kde se jen těžko na materiál aplikují změny typu ekvalizace nebo další úpravy. Původní nahrávka je tak převedena na PCM, upravena a pro finální master v DSD opět převedena z PCM na DSD. Pokud vám to přestává dávat smysl, věřte, že nejste sami. Naštěstí mají studia dostatek originálních masterů přímo v DSD nebo na analogových páskách, které jsou pro účely SACD nebo vydání DSD nejvhodnější.
PCM - Pulse Code Modulation
Zajímavostí je fakt, že pro účely úpravy záznamu v DSD se používá tzv. „DSD-wide“ formát, který si zachovává velmi vysokou samplovací frekvenci původního DSD (tedy 2.8224 MHz), ale rovněž využívá 8-bitové kvantizace namísto 1-bitové. Ve výsledku je nutné využít „noise shapping“, ale jde o mezikrok mezi DSD a PCM, který je snadněji upravitelný a občas bývá označován jako „PCM-narrow“. Následně je tento formát opět konvertován do regulérního DSD pro finální master pro SACD nebo hudební soubor DFF/DSF. Není to ale jediná cesta, jak upravovat záznam v DSD, protože na trhu jsou také poměrně drahé pracovní stanice pro úpravu tohoto digitálního formátu (Pyramix nebo SADiE). Možností je mnoho, ale pro zákazníka je to příliš zmatečné, neboť se kromě formátu nosiče (soubor či fyzický nosič) musí orientovat v tom, jak celý záznam vznikl. Existují vydavatelství, které se pyšní tím, že využívají výhradně originálních masterů v DSD nebo digitalizují původní analogové záznamy (např. MFSL).
PCM je naproti DSD formátem, který v zásadě nemá žádné podstatné omezení a kvalitativně DSD ve vyšší rozlišeních jednoznačně předčí. Pěkným příkladem jisté nadřazenosti staršího formátu je DXD (Digital eXtreme Definition), které by svým názvem mohlo svádět k tomu, že jde o nějakou variantu DSD, ale jde o variantu PCM s rozlišením resp. bitovou hloubkou 24-bitů a samplovací frekvencí 352.8 kHz. Do tohoto formátu se často převádí a edituje DSD a poslední dobou jsou také v omezeném množství dostupné přímo hudební záznamy. Výsledná kvalita subjektivně i objektivně daleko předčí DSD jako takové.
Praktické využití DSD v ideálním případě
Útočiště PCM je velmi rozmanité a zahrnuje kromě zmiňované CD také umírající DVD-Audio, HD-DVD nebo Blu-ray. V případě PCM má stěžejní úlohu rekonstrukční digitální filtr využívaný u dekódování nebo kódování PCM. Pokud při využití filtru vznikají nechtěné artefakty nebo chyby, celkově to samozřejmě velmi ovlivňuje výsledek resp. kvalitu záznamu nebo jeho reprodukci. Zde je DSD trochu ve výhodě, neboť tento filtr v podstatě nepotřebuje, ale naproti tomu má nevýhodu zmiňovaného konstantního šumu ve slyšitelném pásmu a nutnost aplikovat „noise shapping“. Protože se šum v případě DSD posouvá nad slyšitelné pásmo (20 kHz) právě pomocí „noise shapping“, razantně se nad tuto hranici snižuje dynamický rozsah záznamu. PCM naproti tomu má konstantní dynamiku v celém přenášeném pásmu. To v případě DSD má na svědomí mírně „rozmlžené“ vysoké frekvence, které nemají zdaleka takové rozlišení jako u PCM.
Tento jev je často zmiňován u SACD přehrávačů a D/A převodníků, kde na špičkových aparátech lze slyšet poměrně výrazný rozdíl mezi reprodukcí stejného záznamu v DSD a PCM. Protože vnímaní zvuku je poměrně subjektivní, někteří posluchači preferují DSD jako příjemnější „analogovější“ formát, který má prostě a jednoduše docela značný „roll-off“ na nejvyšších frekvencích. PCM je v tomto jednoznačně méně omezené a lepší cestou. Většina současných D/A převodníků spoléhá na některý z typů sigma-delta konverze PCM, takže ve výsledku je šumové spektrum u obou formátů vyrovnané. Většina přehrávačů SACD nebo externích převodníků má low-pass filtr nastavený tak, aby odfiltroval cokoli nad 50 kHz (to je ostatně případ i našeho referenčního Luxmanu D-05) kvůli reproduktorům resp. zesilovači, jež si bez značného zkreslení nedokáží s takto vysokými frekvencemi poradit, pokud je v něm přítomen šum.
DSD - Pulse Density Modulation
Hlavní rozdíl spočívá u DSD ve využití 1-bitové pulzně hustotní modulace (Pulse Density Modulation - PDM), jež zaznamenává hustotu signálů, která odpovídá analogové amplitudě signálu. V případě PCM je zaznamenávána úroveň signálu resp. jejich velikosti pomocí pulzně kódové modulace (Pulse Code Modulation – PCM). Binární záznam PCM a DSD je tedy zcela odlišný a pro jeho rekonstrukci se využívá zcela jiných principů. Díky tomu, že DSD reprezentuje bitstream, je možné pro jeho dekódování využít 1-bitový D/A převodník a „low-order“ analogový filtr. Teoretický dynamický rozsah SACD je podstatně vyšší než u CD (120 dB v pásmu 20 Hz až 20 kHz). Dnešní SACD přehrávače se ovšem pyšní frekvenční rozsahem při přehrávání od jednotek Herzů až po mnoho desítek kHz. Obecně se tvrdí, že lidský sluch není schopen postřehnout frekvence nad 20 kHz a právě z toho profituje DSD. Podle mnohých vědců je 1-bitová konverze signálu naprosto nevhodná pro využití v profesionálním audiu (Vanderkooy, Lipshitz), ale má také mnoho zastánců (McGovan, Koch, Meitner).
Proces vytváření DSD signálu je koncepčně velmi podobný tomu, když byste navrhli jednoduchý delta-sigma A/D převodník a vyloučili z procesu decimátor, který provádí konverzi 1-bitového bitstreamu na multi-bitové PCM. Bitstream je zaznamenám přímo a teoreticky už potřebujete jen jednoduchý low-pass filtr, abyste dokázali rekonstruovat původní analogový signál. Realita je ovšem taková, že 1-bitový převodník dnes nekoupíte, protože naprostá většina současných sigma-delta převodníků jsou převodníky multi-bitové. To nás přivádí do slepé uličky, protože samotné formáty pak lze jen velmi těžko mezi sebou srovnat. Pokud bychom vycházeli z čistě papírových parametrů, je alternativou pro DSD záznam PCM o rozlišení 20-bitů se samplovací frekvencí 96 kHz. Oba formáty nelze srovnávat na základě spočítaných bitrate, protože využití zcela jiných algoritmů by učinilo toto srovnání naprosto nerelevantním.
Srovnání bitrate PCM vs DSD:
PCM (2 kanály)
16-bit/44.1 kHz odpovídá 88,200 bytů/s
24-bit/96 kHz odpovídá 288,000 bytů/s
24-bit/192 kHz odpovídá 576,000 bytů/s
24-bit/384 kHz odpovídá 1,152,000 bytů/s
32-bit/384 kHz odpovídá 321,536,000 bytů/s
DSD (2 kanály)
1-bit/2.8 MHz odpovídá 350,000 bytů/s
1-bit/5.6 MHz odpovídá 700,000 bytů/s
Je tedy zřejmé, že co se týče samotného bitrate, DSD odpovídá spíše PCM 24/96 než vyšším. V případě DSD 128 je nutné vzít do úvahy, že původní mastery byly DSD 64 a tyto formáty jsou opět získány up-samplováním originálu. Papírovými parametry (dynamický rozsah) odpovídá DSD spíše PCM 20/96, neboť vyšší formát PCM 24/96 má již výhodu teoretického dynamického rozsahu 144dB.
Další problém DSD je, že většina současných studií používá v menší či větší míře na mastering softwarové nástroje jako Pro Tools, které pracují s PCM. Kromě toho, že je to tak jednodušší, to má i další důvod, kterým je 1-bitový bitstream, který musí být zpracováván v nativním 1-bitovém prostředí, kde se jen těžko na materiál aplikují změny typu ekvalizace nebo další úpravy. Původní nahrávka je tak převedena na PCM, upravena a pro finální master v DSD opět převedena z PCM na DSD. Pokud vám to přestává dávat smysl, věřte, že nejste sami. Naštěstí mají studia dostatek originálních masterů přímo v DSD nebo na analogových páskách, které jsou pro účely SACD nebo vydání DSD nejvhodnější.
PCM - Pulse Code Modulation
Zajímavostí je fakt, že pro účely úpravy záznamu v DSD se používá tzv. „DSD-wide“ formát, který si zachovává velmi vysokou samplovací frekvenci původního DSD (tedy 2.8224 MHz), ale rovněž využívá 8-bitové kvantizace namísto 1-bitové. Ve výsledku je nutné využít „noise shapping“, ale jde o mezikrok mezi DSD a PCM, který je snadněji upravitelný a občas bývá označován jako „PCM-narrow“. Následně je tento formát opět konvertován do regulérního DSD pro finální master pro SACD nebo hudební soubor DFF/DSF. Není to ale jediná cesta, jak upravovat záznam v DSD, protože na trhu jsou také poměrně drahé pracovní stanice pro úpravu tohoto digitálního formátu (Pyramix nebo SADiE). Možností je mnoho, ale pro zákazníka je to příliš zmatečné, neboť se kromě formátu nosiče (soubor či fyzický nosič) musí orientovat v tom, jak celý záznam vznikl. Existují vydavatelství, které se pyšní tím, že využívají výhradně originálních masterů v DSD nebo digitalizují původní analogové záznamy (např. MFSL).
PCM je naproti DSD formátem, který v zásadě nemá žádné podstatné omezení a kvalitativně DSD ve vyšší rozlišeních jednoznačně předčí. Pěkným příkladem jisté nadřazenosti staršího formátu je DXD (Digital eXtreme Definition), které by svým názvem mohlo svádět k tomu, že jde o nějakou variantu DSD, ale jde o variantu PCM s rozlišením resp. bitovou hloubkou 24-bitů a samplovací frekvencí 352.8 kHz. Do tohoto formátu se často převádí a edituje DSD a poslední dobou jsou také v omezeném množství dostupné přímo hudební záznamy. Výsledná kvalita subjektivně i objektivně daleko předčí DSD jako takové.
Praktické využití DSD v ideálním případě
Útočiště PCM je velmi rozmanité a zahrnuje kromě zmiňované CD také umírající DVD-Audio, HD-DVD nebo Blu-ray. V případě PCM má stěžejní úlohu rekonstrukční digitální filtr využívaný u dekódování nebo kódování PCM. Pokud při využití filtru vznikají nechtěné artefakty nebo chyby, celkově to samozřejmě velmi ovlivňuje výsledek resp. kvalitu záznamu nebo jeho reprodukci. Zde je DSD trochu ve výhodě, neboť tento filtr v podstatě nepotřebuje, ale naproti tomu má nevýhodu zmiňovaného konstantního šumu ve slyšitelném pásmu a nutnost aplikovat „noise shapping“. Protože se šum v případě DSD posouvá nad slyšitelné pásmo (20 kHz) právě pomocí „noise shapping“, razantně se nad tuto hranici snižuje dynamický rozsah záznamu. PCM naproti tomu má konstantní dynamiku v celém přenášeném pásmu. To v případě DSD má na svědomí mírně „rozmlžené“ vysoké frekvence, které nemají zdaleka takové rozlišení jako u PCM.
Tento jev je často zmiňován u SACD přehrávačů a D/A převodníků, kde na špičkových aparátech lze slyšet poměrně výrazný rozdíl mezi reprodukcí stejného záznamu v DSD a PCM. Protože vnímaní zvuku je poměrně subjektivní, někteří posluchači preferují DSD jako příjemnější „analogovější“ formát, který má prostě a jednoduše docela značný „roll-off“ na nejvyšších frekvencích. PCM je v tomto jednoznačně méně omezené a lepší cestou. Většina současných D/A převodníků spoléhá na některý z typů sigma-delta konverze PCM, takže ve výsledku je šumové spektrum u obou formátů vyrovnané. Většina přehrávačů SACD nebo externích převodníků má low-pass filtr nastavený tak, aby odfiltroval cokoli nad 50 kHz (to je ostatně případ i našeho referenčního Luxmanu D-05) kvůli reproduktorům resp. zesilovači, jež si bez značného zkreslení nedokáží s takto vysokými frekvencemi poradit, pokud je v něm přítomen šum.
