Digital filtrering m.m.

Efter at der igen er opstået debat om MQA, og dermed digital signalbehandling, oplever jeg, at der stadig er en del forvirring omkring hvordan digital signalbehandling virker. Derfor laver jeg den her tråd, så måske lidt af tågen kan lette.

Det første jeg gerne vil gribe fat i er digital filtrering.
Digital filtrering hænger i audiosammenhæng altid sammen med oversampling.
Grunden til at man oversampler ligger i, at man er pinedød nødt til, at bortfiltrere images, som altid opstår lige over Nyquistfrekvensen, som er ½ Fs.
Images er kun dæmpet nogle få dB i forhold til nyttesignalet, så det er meget vigtigt, at få dem fjernet, hvis ikke man vil bringe både sine højtalere og sine forstærkere ud på glat is. Det hjælper dog lidt, at der ikke optræder ret megen energi ved høje frekvenser i musikken, så i forvejen er de højeste frekvenser langt nede i niveau.
Det er vigtigt, fordi images er en spejling omkring Nyquist frekvensen. Alligevel er der brug for en del dæmpning, fordi niveauet så tiltager op imod Fs.

Når man så oversampler, så sker ved, at man indsætter 7 nye samplingspunkter imellem hver sample. I første omgang får de værdien 0, men længere inde i filteret , beregnes de nye samlingspunkters amplitude på baggrund af en række tidligere OG efterfølgende samples.
Man har altså et register over en række "nye" og "gamle" samples, hvorpå man baserer amplitudeberegningen af de interpolerede samplingspunkter.
Det kan man gøre meget præcist vha. Remez algoritmer, som kort forklaret går ud på, at beregne de korrekte filterkoefficienter.
Man interpolerer nemlig ikke lineært, men vha. af andre teknikker, så man får en mere præcis kurveform.

Fidusen ved det er, at det signal, der f.eks. ligger på en CD, er båndbredde begrænset til ca. 20KHz, ergo vil der i en NOS DAC opstå images fra 24.100 Hz og op til 44.100Hz. Hvis der oversamples 8 gange, så vil images først opstå fra 192.800 Hz. Imellem den oprindelige ½Fs og den nye oversamplede ½Fs er der intet signal.
Det gør det meget nemmere, simplere og mere fasevenligt, at dæmpe images.
Samtidig sænker det støjen med ca. 24 dB, hvilket øger opløsningen til 20 bit.

Så langt så godt.
Det der så ser ud til at drille rigtig meget er resultatet af digital filtrering, fordi det er ret anderledes end det, som sker i det analoge domæne.
For i det analoge domæne gør et filter det, at det begrænser overføringsfunktionen. Man skærer noget væk eller dæmper det, så det aldrig kommer videre.
I det digitale domæne bevirker et oversampling filter, at man udvider overføringsfunktionen, og altså øger det frekvensområde, som slipper igennem kredsløbet.
Der er så ingen data tilstede i det område, som man udvider med, men images er nu flyttet langt op i frekvens.
Filtreringen bevirker også andre ting, og det er så her det hele ryger helt ud i hegnet for mange.
Impulsresponsen er en måling man ofte foretager, for at fastslå filterets funktion.
Man skal så lige vide, at en impuls er en pludselig stigning i amplitude, som lige så pludseligt er væk igen. Det er altså ikke et musiksignal, og det ligner heller ikke noget, som kan forekomme i musik. I princippet indeholder en impuls alle frekvenser, så den vil ikke alene sige noget om nyttesignalet, men også om alle andre frekvenser.
Og det man ser på sådan en impuls er filterets opførsel ved Nyquistfrekvensen, og absolut intet andet. Ringningen på impulsen viser absolut intet om, hvordan filteret behandler nyttesignalet.
Det man kan se ud fra sådan en impulsresponsemåling er, hvor stort et passband filteret har (stejlheden på op/ned), om filteret er faselineært (ens pre og post ringing), og stejlheden på filteret (længden af ringningsperioderne).
Man kan også se tidsforsinkelsen, hvis man også ser input impulsen, hvilket ikke har betydning i HI-FI, men i f.eks. "on stage".

Rigtig mange tror, at pre og post ringning er et digitalt fænomen, som direkte kan overføres til afspilning af musik.
Det kan det altså ikke, men ikke desto mindre, så er der opstået en hel industri på baggrund af den antagelse.
NOS DAC´s hviler direkte på den antagelse, og dem der laver dem, ser sig ikke for fine til, at sende enorme mængder højfrekvent støj direkte ind i de efterfølgende analoge kredsløb.
Det NOS DAC´s reelt gør er, at føde dit set-up med et spejlbillede af den musik du kan høre ved den dobbelte frekvens, og kun dæmpet ca 3 dB i forhold til det du hører. Og det gør de i den påstand, at pre - og postringning generer den menneskelige hørelse, selvom det kun optræder ved + 150KHz og ved langt lavere niveauer end images. Det er det jeg kalder goddaw mand rundstyksav.
Den reelle påvirkning på nyttesignalet af gode digitale filtre, er så lille som o,oox dB ripple eller mindre.
Hvorfor vi så har fået NOS DAC´s, tror jeg hænger sammen med det faktum, at der altid er nogen, som holder fast i den gamle teknologi, som de selvsamme mennesker ofte strittede imod, dengang den var ny. Vi ser det med horn højtalere med rørforstærkere og ikke mindst SET rørforstærkere hertil vinylbølgen og sikkert snart en CD revival, selvom streaming eller downloads skulle nå op i 24/96 som standard el. lign.

Apodizing filtre
For nogle år siden dukkede der nogle nye filtre op i det engelske, som kaldes apodizing filtre.
De er kendt fra den optiske branche, og har nogle spændende egenskaber.
Den bedste af dem er, at hvis der tidligere i kæden, har været anvendt digital filtrering ved en "lav" Fs, så kan appodizing filteret "fjerne" pre ringning hidrørende fra upstream filtre fra det endelige signal, og det må man sige er smart.
Nu er det så bare sådan, at nu om dage sampler man ved meget høje frekvenser under optagelser, og hertil anvender man også oversampling, som fuldstændig fjerner pre - og postringning fra nyttesignalet. Dog vil et apodizingfilter teoretisk have sin berettigelse på gamle digitale optagelser.
I perioden fra ca. 1985 til 1990 + en slat, blev der for det meste anvendt 16 bit udstyr ved optagelser. Herefter begyndte man at oversample, hvilket var et tigerspring for lydkvaliteten. Lidt senere blev det 20 bit og så 24 bit og mange steder anvendes der nu 32 bit.
Det er altså specielt ved afspilning af de tidlige CD udgivelser, hvor man kan have gavn af et apodizing filter.
Nu er der så bare ingenting her i verden, som er gratis, og det er den proces i apodizing filtrene heller ikke. Pre-ringning, som af nogle anses som særlig problematisk, konverteres til post-ringning. Filteret er derfor ikke faselineært, og det påvirker en stor del af det hørbare område.
Ud over det så hviler apodizing filtrene på den antagelse, at specielt pre-ringning er en dårlig ting for oplevelsen af musik, hvilket der dog aldrig er ført noget brugbart bevis for.
Det har også vist sig, at det med at fjerne virkningerne af pre ringning hidrørende fra kilder upstream, ikke virker i praksis.

Hvad er der til hinder for at hæve samplingsfrekvensen til f. eks 100-200kHz og derved minimere problemstillingerne du beskriver? Bortset fra at man piller ved allerede fastlagte standarder.

Kaj. skrev: Hvad er der til hinder for at hæve samplingsfrekvensen til f. eks 100-200kHz og derved minimere problemstillingerne du beskriver? Bortset fra at man piller ved allerede fastlagte standarder.

Der er kun en ting til hinder, og det er filstørrelse.
Jo flere samples jo større fil.
MQA forsøger sådan set at løse problemet indenfor 16/44,1 rammerne, hvilket jeg dybest set mener er overflødigt, idet det slet ikke er specielt båndbreddekrævende, at afspille audio i HiRez.

Men du skal også forstå mit indlæg på den måde, at oversampling og dermed digital filtrering, tillægges egenskaber, som det slet ikke har.
Næsten alle nørder jeg møder, og som har interesse i emnet, tror at digitale filtre tilføjer præ - og postringning til musikken.
Hele teorien omkring Apodizing filtrene tager også udgangspunkt i, at der findes rester af præ - og postringning upstream.
Det er den antagelse der er helt i hegnet.
Den præ og post ringning man ser på impulsfotos, er en stopband ringning, og ikke en passband ringning.
Som eksempel kan jeg nævne passband ringning på Crystal CS4398, som blot er 0,005 dB op til ca. 40 KHz, og det er ikke engang den laveste værdi for digitale filtre.
Det jeg så gerne ser er, at dem der interesserer sig for digital signalbehandling, får det her ind under kasketten især de professionelle.
Og så kan man jo selv derudfra vurdere, om det er værd at veksle 0,005 dB passband ripple op til ca. 40 KHz med et image af nyttesignalet, som kun ligger ca. 3 dB under selve nyttesignalet i niveau, og med spejling omkring Nyquistfrekvensen på 22.050 Hz.
Prøv at se billedet af målingen


Det man ser er resultatet af en 19 KHz og en 20 KHz tone. Læg mærke til, at tonerne optræder igen ved ca. 24 og 25 KHz næsten ved fuldt niveau.
Det er image af tonerne ved 19 og 20 KHz.
Heldigvis forekommer der aldrig toner ved 19 og 20 KHz med det niveau, men det gør så desværre ved f.eks. 300 Hz og 400 Hz, og de vil så havne oppe i 43,8 KHz og 43,7 KHz med tæt på fuld skrue.
Lige hvordan man kan få sin hjerne kørt ind på det spor, at det skulle være smart, at afspille disse images igennem audiokæden, fremfor en passband ripple på omkring 0,005 dB, undrer mig en del. Jeg tror ikke jeg får samme medicin som de NOS drenge, og jeg tror heller ikke, at jeg læser de samme godnathistorier, som dem der tror at en impulsmåling af en DAC, tegner et billede af dens audioperformance.

Jeg starter med at tilstå, at jeg ikke færdes hjemmevant i den digitale teknologi. Alligevel...... kunne det ikke tænkes at det der tiltaler No Over Sampling fortalerne er at spejlingens toner får lyden til at ligne (minde om) en god pickups mekaniske ringninger/resonanser omkring og over grænsen for det hørbare område? At NOS tilfører de overtoner man savner ved skift til den digitale teknik. Man lytter jo ikke med et måleapparat, så bare der er et højfrekvensbidrag er forvekslingen da nærliggende. Eller ..... ?

Kaj. skrev: Jeg starter med at tilstå, at jeg ikke færdes hjemmevant i den digitale teknologi. Alligevel...... kunne det ikke tænkes at det der tiltaler No Over Sampling fortalerne er at spejlingens toner får lyden til at ligne (minde om) en god pickups mekaniske ringninger/resonanser omkring og over grænsen for det hørbare område? At NOS tilfører de overtoner man savner ved skift til den digitale teknik. Man lytter jo ikke med et måleapparat, så bare der er et højfrekvensbidrag er forvekslingen da nærliggende. Eller ..... ?

Det skal jeg ikke kunne svare på.
Jeg har kun 3 gange hørt NOS DACs, og de har alle gange været nogenlunde lige forfærdelige.
Jeg har dog ikke lige kunnet tænke lydkvaliteten hen i retning af ringning, men blot tåget lyd, som man på en måde slet ikke inviteres ind i.
Det hænger givetvis sammen med andre forhold i konstruktionerne.
Højfrekvensresonanserne i pick-upper er der skiftende styr på alt efter producent. Nogen kan og andre kan ikke.

Som almindeligt menneske kan man så bare ikke gøre andet end følge strømmen.

Det er bestemt interessant læsning men man skal jo nærmest have sit eget studio og udviklingsafdeling, for at lave noget der er bedre end det der kan købes i dag.
Jo der findes da CD-afspillere til halve millioner som siges at være det bedste der kan fremskaffes og nogle til lidt mindre penge der kan det samme (Meitner)
Men hvis ikke man er helt på forkant med den digitale teknik, så aner man jo ikke hvad der har betydning for god lyd.

Min egen Dac-kreds er en Wolfson Microelectronics, 24 bit / 48 kHz og som du før har sagt er det nok en af de tilgivende Og så er der oven i det NE 5532 i udgangen :woohoo:
Og jeg synes faktisk at den gør det rigtig godt (måske fordi den netop er tilgivende) og jeg vil tro at jeg skulle justere hele mit setup om, ved at skifte Dac til f.eks Digilog, Meitner eller Esoteric.

Men en hurtig guide til at få det maximale ud af sine almindelig CDer (16 bit/44.100) enten fra en CD maskine/drev eller rippet til PC, hvordan ville det se ud ?
Der er jo stadig folk der mener at 16/44,1 er rigeligt, bare CD maskinen kan håndtere det ordentligt.

Ribbontweeter skrev: Som almindeligt menneske kan man så bare ikke gøre andet end følge strømmen.

Det er bestemt interessant læsning men man skal jo nærmest have sit eget studio og udviklingsafdeling, for at lave noget der er bedre end det der kan købes i dag.
Jo der findes da CD-afspillere til halve millioner som siges at være det bedste der kan fremskaffes og nogle til lidt mindre penge der kan det samme (Meitner)
Men hvis ikke man er helt på forkant med den digitale teknik, så aner man jo ikke hvad der har betydning for god lyd.

Min egen Dac-kreds er en Wolfson Microelectronics, 24 bit / 48 kHz og som du før har sagt er det nok en af de tilgivende Og så er der oven i det NE 5532 i udgangen :woohoo:
Og jeg synes faktisk at den gør det rigtig godt (måske fordi den netop er tilgivende) og jeg vil tro at jeg skulle justere hele mit setup om, ved at skifte Dac til f.eks Digilog, Meitner eller Esoteric.

Men en hurtig guide til at få det maximale ud af sine almindelig CDer (16 bit/44.100) enten fra en CD maskine/drev eller rippet til PC, hvordan ville det se ud ?
Der er jo stadig folk der mener at 16/44,1 er rigeligt, bare CD maskinen kan håndtere det ordentligt.

For at begynde baglæns, så har du sådan set ret i, at 16 bit 44,1 KHz er tilstrækkeligt til distribution af musik.
Bare man bruger noget højere bitrate og Fs i produktionen.
En helt anden ting er, at efterhånden som CD salget falder, så ville jeg i mit diktatur, helt afskaffe 44,1 KHz samplingrate, og erstatte den med 48 KHz og multipla deraf. Vi behøver ikke 44,1 KHz mere, i hvert tilfælde ikke på download og streaming markedet.
Hvis man selv vil prøve, om det giver mening, at distribuere musik i mere end f.eks. 16 bit 48 KHz, så kan man konvertere en 24/96 fil til en 16/48 ditto, og se hvor meget forskel man kan høre. Jeg kan sige, at der ikke er meget at hente ved det.
Man skal jo også tænke på, at de eneste 2 forskelle der vil være på de 2 filer er frekvensområde og SNR, og lige præcist det, er der sjældent nogen der klager over ved CD afspilning.

Wolfson DACs mener jeg er ganske udmærkede, dog lidt underlige ind imellem, som når de f.eks. laver en chip, som kan modtage 32 bit signal, men kun fungerer som 24 bit??
Der er ikke ret mange modeller i den bedre ende af dem mere, for de er jo solgt til Cirrus Logic, som gerne ville have fat i deres lavpris konvertere, som sidder i alle HP computere. Så man må forvente, at det meste af deres high end segment forsvinder, og erstattes af Crystal modeller.
NE5532 er klart bedre end sit rygte, mere er der ikke at sige om den sag.
Og pas på med, at tro at dyre afspillere skulle være så fantastiske, de fleste spillere af i dag, bruger billige løbeværker og lige så billige op-amps i deres design.
Jeg skiftede for nogle måneder siden løbeværket i en Stello, det kostede svjh. omkring 70 Kr. for hele løbeværket.
Teac er vel efterhånden de eneste, som selv laver deres eget til Esoteric produkterne, det meste af resten er OEM løbeværker til no money.

I øvrigt så lider CD afspilning IMO af noget af samme fænomen som f.eks. TOSlink gør. Det er svært at forklare, men en laser er jo også en slags optokobling mellem mastering lab og dit udstyr. Optokobling bevirker IMO i noget uro, og en forhindring i, at komme dybt ind i musikken, specielt i grundtoneområdet.
Der optræder noget fnidder på alle de løbeværker jeg kender, som jeg tror hænger sammen med det optiske, og som sikkert sætter sig som jitter.

Det optimale CD set-up er lidt af en udfordring, fordi der er så mange forskellige måder at gøre det på.
Hvis du anvender et løbeværk, og sender signalet videre vha. S/P/DIF, så kan du sådan set lige så fint bruge en anden kilde.
Anvender du en integreret afspiller, så er fidusen den, at dit signal aldrig skal videresendes i et serielt interface, men kan bevares parallelt hele vejen også kaldet I2S.
Så er spørgsmålet så, hvor meget der er gjort ud af konverterdelen i maskinen.
Jeg ville ikke i dag satse på den løsning.

PC set-ups er efterhånden gjort til en hyppig metode, til afspilning af CD´er. Det burde der sådan set heller ikke være noget galt med.
Og high end industrien har selvfølgelig kastet sig over emnet, for at score penge på en masse uundværligt udstyr.
Den vej vil jeg så ikke ud på.
Som tingene er i øjeblikket, så er det XMOS der har skabt den mest færdige chip til afspilning af filer fra computer via USB.
Det lønner sig derfor, at gå efter et interface, der gør brug af den, hvilket de fleste gør nu om dage.
Det er den der chip, hvor der konstant kommer driveropdateringer til, så man ender ikke foreløbig i en blindgyde mht software.
Man skal dog være opmærksom på, at implementeringen af chippen er vigtig, man kan f.eks. få små bokse, der forsynes fra buspower og i den anden ende interfaces med egen lineær strømforsyning i boksen.
Næsten allervigtigst er det, at der skabes galvanisk isolation mellem computer og set-up. I mit set-up bruger jeg en Gustard U12, som jeg har modificeret ganske let.

Der tales også en del om computere, og diverse software. Jeg bruger en helt almindelig laptop fra Lenovo, hvor jeg afvikler musikken med Foobar 2000 og deres WASAPI plug-in. Som lagermedie har jeg en ekstern USB HDD med egen hjemmelavede lineære forsyning. USB kablerne er fra Supra.
Npogen vil f.eks. bruge en Raspberry pi i stedet for en laptop, den kan man også lave en lineær supply til, og i det hele taget er den nok nemmere at eksperimentere med. Jeg er dog godt tilfreds med laptoppen.
Så hvis du gerne vil prøve, at skabe et digitalt set-up, som kan afløse din CD afspiller, så er her givet lidt af opskriften.
Hvordan du så vil indrette dig, kommer jo lidt an på hvad du allerede har, og hvor høje ambitionerne er.

Mht. Wolfson Micro så er det faktisk dem, som leverer DAC chips med indbyggede apodizing filtre, og jeg mener ikke, at der er andre producenter, der har samlet princippet op. Oprindeligt var det vist en herre ved navn Craven, som fandt på, at bruge et princip fra optikken i et digitalt filter, mhb på at fjerne ringning fra filtre up stream. Wolfson tog princippet op, og Meridian var de første til, at markedsf'øre produkter med disse filtre.
Senere er andre kommet til, men om de bruger Wolfson DAC´s, ved jeg ikke, ofte programmerer man sin egen DSP, som så overtager filtreringen.

Jeg tænker om dette link kan have interesse i sammenhængen.

Kaj. skrev: Jeg tænker om dette link kan have interesse i sammenhængen.

Jamen det har det.
For selv om vi gerne vil have Hi-Rez audio, så er det nok lidt en illusion, at det bliver ret meget bedre af den grund.
Mange tror, at lyden får flere og mindre trappetrin, når man går op i bit dybde, men det gør den desværre ikke, først og fremmest fordi, at der slet ikke er nogen trappetrin i digital lydgengivelse. Kurven er en korrekt sinus ved alle frekvenser op til Nyquistfrekvensen helt uden trappetrin.
Det eneste der sker er, at støjgulvet kommer længere ned i niveau.
16 bit har ca. 96 dB SNR, 20 bit har 120 dB og 24 bit har 144 dB SNR.
Set i det lys, er der næppe nogen, som har brug for mere end 16 bit.
Fs bestemmer frekvensområdet, og er derfor en vigtig parameter, men oversampling og up-sampling har gjort, at man ikke rigtigt har en hel masse, at bruge højere Fs til.
Jeg ser hellere, at man fastholder den sample rate, som man anvender under optagelsen, eller i det mindste en lige del af den, således at man forbliver i 48 KHz domænet. Altså hvis det er optaget med 24 bit opløsning og 192 KHz samling frekvens, så vil en downsampling til 48 KHz være at foretrække fremfor en downsampling til 44,1 KHz.