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Das TDA1541-Projekt

Teil 4: Wissenswertes zum Oversampling

 
Nach der Überholung unseres Marantz CD65 MKII und der Überarbeitung seiner Analogstufe, die aus unserem CD-Player einen filterlosen Röhrenplayer mit passiver I/V-Wandlung machte, geht es nun dem SAA7220 Digitalfilter an den Kragen: der Umbau zum non-Oversampling steht an.
 
Obwohl die bisherigen Umbauten dem Klang schon sehr gut getan haben, sollte uns bewusst sein, dass immer noch der SAA7220 (Digitalfilter) aktiv ist, der innerhalb des Chipsatzes (unter anderem) die Funktion des Vierfach-Oversamplings übernimmt. Lassen wir doch den Player noch etwas im Rack und überlegen, was es mit dem Oversampling eigentlich auf sich hat, bevor wir den Lötkolben anheizen. Nicht dass uns noch einer Unwissenheit vorwirft ob des lehrbuchmäßigen Verbrechens, das wir begehen.
Eine vollständige und allumfassende Abhandlung zum Oversampling ist an dieser Stelle weder möglich noch sinnvoll, aber ein paar wesentliche Aspekte sollten wenigstens gestreift werden, weshalb wir uns dem Thema aus verschiedenen Richtungen nähern. Benachbarte Themen wie Dithering oder Noise-Shaping bleiben allerdings außen vor.
 
Oversampling = Upsampling + Interpolation
Oversampling in seiner einfachsten Form besteht nur aus zwei Arbeitsschritten: dem Upsampling und der darauf folgenden Interpolation. Wählen wir für die erste Sichtweise den Zeitbereich, dann sagt uns die Sample-Rate von 44.100 bei CD-Audio, dass vom ursprünglichen Audiosignal alle knapp 23 Mikrosekunden (Ts) der Augenblickswert abgetastet und mit 16 Bit quantifiziert wird. Pro Stereokanal - versteht sich.
Das Upsampling ist trivial: Für ein gewünschtes Oversampling von N fügt man einfach (N-1) Nuller zwischen zwei originale Abtastwerte ein. Unser SAA-Chip kann ein 4-fach Oversampling, also wird er 3 Nuller zwischen zwei originale Abtastwerte setzen. Selbstverständlich erhöht sich dadurch faktisch die Sample-Rate ebenfalls um Faktor vier, was für den nachgeschalteten DAWandler aber kein Problem darstellt: der 1541 wurde für Vierfachrate gebaut, und das Modell 1541A verkraftet sogar achtfache Abtastung klaglos, was vermutlich vielen gar nicht bekannt ist.
 
 
 
Eingefügte Nuller sind natürlich erst die halbe Miete. Erst durch die Interpolation, die selbstverständlich ebenfalls innerhalb des Digitalfilter-Chips stattfindet, bekommen sie einen sinnvollen Wert zugewiesen, so dass die interpolierte Abfolge der Samples dem ursprünglichen Signalverlauf folgt. Alles andere wäre eine gewaltige Verfälschung. Interpolation ist populär gesprochen aber nichts anderes als eine Mittelwertbildung, oder technisch gesprochen: man jagt die Samples durch ein Tiefpassfilter. An das Filter werden allerdings bestimmte Anforderungen gestellt, die leichter zu verstehen sind, wenn man vom Zeitbereich in den Frequenzbereich wechselt.
 
Digitales Interpolationsfilter
 
 
Die erste "Zeile" in obiger Abbildung zeigt unser Nutzspektrum, das gemäß den CD-Standards den Frequenzbereich von 20 Hertz bis 20 Kilohertz umspannt.
Durch das Upsampling, das Auffüllen mit Nullern, ändert sich das Spektrum gewaltig, denn wir erhalten, gratis aber vollkommen unerwünscht, Spiegelungen des Nutzspektrums für jede Vervielfachung der Sample-Frequenz (Fs). Um diese Spiegelungen loszuwerden, benutzen wir eine Tiefpassfunktion (blau gezeichnet), die aber gleichzeitig unser Interpolationsfilter innerhalb des Chips darstellt. Das ist zwar im Sinne von "zwei Fliegen mit einer Klappe" durchaus elegant, aber man beachte die Anforderungen an das Filter: Bis 20 Kilohertz muss der Tiefpass perfekt glatten Durchlass bieten, schließlich tummelt sich hier unser Nutzsignal, aber bei 24 Kilohertz darf er praktisch gar nichts mehr durchlassen, weil sich sonst Alias- Verzerrungen einstellen könnten.
Im Idealfall verlässt das Signal wie in der dritten Zeile des Bildes das Digitalfilter. Alle störenden Spiegelungen sind weg, allerdings ist unser Signal immer noch zeitdiskret, "gequantelt" könnte man lapidar sagen, weshalb ihm immer noch die Spiegelungen rund um die neue, oversampelte Abtastfrequenz anhaften. Deren Beseitigung ist Sache des analogen Ausgangsfilters, und es wird unmittelbar klar, dass das analoge Filter um so einfacher wird, je höher das Oversampling ausfällt. Letzten Endes hat man mit der Einführung des Oversamplings die Problematik des Filterdesigns von der analogen in die digitale Ebene verschoben, aber nicht gelöst. Da gibt es zwar keine Bauteil-Toleranzen und keine Alterung, aber perfekte Filterfunktionen gibt es leider auch nicht, weshalb gerade diese Interpolationsfilter steter Quell des Streits bis heute sind.
Gehen wir spaßeshalber doch mal zurück in die 80iger Jahre und versuchen uns an einem Filterdesign. Man bedenke, unser Marantz mit dem SAA7220 ist ein Kind dieser Zeit...Wie wäre es denn mit einem FIR-Typ (Rekursion ist per se böse, also nichts mit IIR), linearphasig (das Marketing liebt solche Begriffe) und damit wir die Anforderungen bezüglich der Durchlass- und Sperrcharakteristik, wie oben beschrieben, erfüllen, irgendwas zwischen 10. und 15. Ordnung (kostet nichts, ist digital)? Eigentlich sollte ich mich mit zynischen Kommentaren etwas zurückhalten, schließlich war der damalige Stand der Technik, von meinem mal ganz zu schweigen, eben ein anderer als heute, aber man kommt nicht umhin, gewisse Unzulänglichkeiten auszumachen.
 
Filter-Ringing
Um einen der problematischen Aspekte heraus zu greifen, wechseln wir die Sicht wieder zurück in den Zeitbereich und beobachten den Ausgang des Digitalfilters, wenn wir es mit einem Dirac- Impuls stimulieren. Wer den Begriff nicht kennt, stelle sich einen extrem kurzen, scharfen Impuls vor, ähnlich einem Pistolenschuss, aber staubtrocken ohne jeden Hall oder Echo. Was aus dem Filter raustickt, nennt man dann Impulsantwort und hat für unser Filter-Design von oben etwa dieses Aussehen.
 
 
Ein ideales Zeitverhalten wäre einzig von einem scharfen Peak in der Mitte der Zeitachse gekennzeichnet. Offensichtlich sind wir aber vom Ideal einigermaßen weit entfernt, denn es lassen sich sowohl Nachschwinger, aber auch Schwingungen VOR dem Hauptimpuls feststellen. Fachmännisch ausgedrückt: das Filter klingelt. Die Schwingungen kann man zum besseren Verständnis als eine Art Echo des ursprünglichen Signals verstehen. Die Nachschwinger sind für das menschliche Gehör gar nicht so störend, schließlich gibt es die auch in der Natur, weshalb man auch in der Audio-Wiedergabe damit noch einigermaßen leben könnte. Das Kernproblem sind die Vorschwinger, in unserer Analogie die Echos eines Lauts, die vor dem eigentlichen Laut eintreffen. So etwas gibt es in der Natur definitiv nicht, aber die Digitaltechnik macht es möglich. Diese, naja, Vorechos stören das Gehör in seiner Wahrnehmung beträchtlich, wobei interessanterweise die Wahrnehmung, die Bewertung des Gehörten, vom Hörertyp anhängt. Einige nehmen die Vorschwinger als Störung der Rauminformation war, aber wohl die meisten empfinden die Feindynamik als gestört und belegen die Störung anhand von Gitarren- oder Klavieranschlägen, die dann eben weniger gut unterscheidbar sind und mangels Präzision schwieriger zu verfolgen sind.
 
Digitalfilter heute
So in etwa definierte sich High-End in den 80iger Jahren, aber der Vollständigkeit und Fairness halber sei erwähnt, dass insbesondere die Digitalfilter massive Weiterentwicklungen erfahren haben, während unser TDA1541-Wandler sich immer noch sehen beziehungsweise hören lassen kann.
So verrundet man beispielsweise die Filtercharakteristik am Ende des Durchlassbereichs, geht also weniger "eckig" in den Sperrbereich, und reduziert dadurch die Zahl der Vor- und Nachschwinger beträchtlich. Allerdings auf Kosten von ein paar Zehntel Dezibel am oberen Ende unseres 20 Kilohertz Nutzspektrums. Sollte Ihnen der Begriff "Slow-Roll-Off" schon einmal vor die Füße gefallen sein - er meint genau das Beschriebene.
Die Schwinger lassen sich noch weiter reduzieren, wenn man mit der Steilheit des Filters, also seiner Ordnung, nach unten geht. Dann schneidet man zwar die unerwünschten Spektren immer weniger perfekt weg, was immer mehr Alias-Verzerrungen nach sich zieht, aber wie im echten Leben ist auch die Digitaltechnik darauf aus, den besten Kompromiss zu erzielen.
Ändert man nun noch die Filtercharakteristik von linear-phasig auf minimal-phasig, verschwinden die unerwünschten Vorschwinger fast völlig, und in der Kombination aller Maßnahmen bekommt man heute, zumindest von einigen Herstellern, Digitalfilter, die um Welten besser als unser altehrwürdiger SAA7220 klingen.
 
Kein Filter - Kein Klingeln
Wenn wir nach dem Ausflug in die Theorie wieder zurück zu unserer TecBlog-Reihe kommen, dann geht es darin immer noch um einen noOS/noFi-Player. Ohne Oversampling. Dergestalt müssen wir davon ausgehen, dass das Filter-Ringing in diesem Projekt einfach nicht stattfindet, und das Zeitverhalten so gut ist, wie es nur irgendwie sein kann. Also erwarten wir von unserem Projekt-Player eine exzellente Feindynamik, beziehungsweise eine deutlich verbesserte Bühne - je nach Hörertyp.
Der Haken an der Sache, schließlich verzichten wir großzügig auch noch auf jedes Analogfilter, könnten die Alias-Verzerrungen werden, die sich als extrem störender weil disharmonischer Klirr äußern müssen. Bislang, solange das Oversampling noch aktiv war, war davon nichts zu hören. Ob das so bleibt, gilt es herauszufinden...
 
Ausblick
Nach so viel Theorie wird es wieder Zeit für den Lötkolben. Wir wechseln den SAA-Chip gegen eine Eigenkonstruktion, die das Oversampling rausnimmt, aber alle anderen Funktionen des Chips weiterführt - for your convenience. Das dauert nur wenige Minuten, also haben wir umso mehr Zeit, unseren Mod gründlich zu verhören...
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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