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bandAlex
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PCM vs. DSD Empty PCM vs. DSD

25/2/2015, 01:36
L'avvento del SACD prima, e ora del DSD, ha aperto una inevitabile disputa tra coloro che sostengono la indiscutibile superiorità del DSD rispetto al PCM. Da una parte, gli audiofili sono spaccati in un due fazioni piuttosto distinte, dall'altra i costruttori, per accontentare ogni potenziale cliente, stanno rinnovando i propri DAC rendendoli compatibili con il flusso DSD.

L'aggiunta di un nuovo formato aumenta di fatto la confusione tra gli utilizzatori, anche perchè - al momento - non esiste un modo davvero semplice per avere un file DSD da riprodurre, e quello che si trova in giro è frutto dell'opera di estrazione di poche persone che hanno rippato i loro SACD e li hanno condivisi in rete.

Sul sito www.computeraudiophile.com si trova una discussione molto interessante, a cui partecipa Charles Hansen, il progettista di Ayre, colui che ha disegnato il QB-9, il dac di elevatissimo livello (di cui ho curato la parte tecnica della recensione su Suono) molto apprezzato per le sue notevoli qualità sonore.

Riporto una parte di tale discussione, che potete trovare qui, tradotta per il beneficio di tutti.

Buona lettura.

Ayre wants $1.5K for DSD'ed QB-9

La disputa tra PCM e DSD è piuttosto diffusa ed è il risultato della campagna di disinformazione portata avanti da Sony quando fu introdotto il SACD. Una delle tante bugie che tirarono fuori fu una serie di grafici che mostravano la superiore risposta ai transienti del DSD rispetto a qualunque altro formato. Sono sicuro ricorderete quello che mostrava un impulso estremamente stretto e molto alto in ampiezza che si supponeva fosse la risposta del DSD. Poi c'era lo stesso grafico per il PCM e, se ricordo correttamente, anche uno per l'analogico.

PCM vs. DSD Pulse_10

Il problema era che il grafico che veniva mostrato era relativo alla sola risposta del sistema di registrazione, e non quella combinata registrazione + riproduzione.

E' facile capire questo se pensiamo a un puro sistema analogico. Prendiamo ad esempio un sistema con una banda di 1 MHz. Prima di tutto, a differenza di un tipico sistema digitale la risposta in frequenza di un sistema analogico non termina con un "brick wall" e poi cala drasticamente. Ci sono interazioni tra le resistenze e capacità parassite che formano un filtro del primo ordine. La pratica standard con un circuito amalogico è quella di avere un singolo roll-off, detto "polo", fino a che il gain cala al di sotto dell'unità (1x = 0 dB). Questo è per evitare ogni possibile oscillazione quando viene applicato del feedback.

Quando c'è un roll-off del primo ordine (digitale o analogico che sia), NON ci sono overshoot, ne' pre-ringing, e nemmeno post-ringing. Il circuito può completare un singolo periodo di 1 µsec, e così l'impulso in uscita sarà largo circa 1 µsec, non importa quanto stretto sia l'impulso in ingresso.  

Ora, se si fa passare lo stesso segnale in un circuito con una banda di soli 100 KHz, esso salirà e cadrà molto lentamente perchè il circuito non può rispondere con la stessa velocità dell'impulso e così la larghezza dell'impulso sarà maggiore. L'altezza invece sarà più bassa per lo stesso motivo. Un impulso più largo e più basso avrà la stessa area dell'altro più stretto e più alto. E ancora, non ci sarà alcun ringing, overshoot, o undershoot.

Quindi, tutto ciò che grossolanamente mostrava il grafico della Sony era che il campionamento a 2.8 MHz del DSD aveva una banda di 1.4 MHz. Quello che non mostrava era l'intervento del filtro analogico del terzo ordine a 50 KHz, previsto dallo Scarlet Book quando si riproduce il segnale con un SACD player. Tale filtro serve ad attenuare tutto il rumore fuori banda audio generato dal DSD, che potrebbe danneggiare tweeters e sovraccaricare amplificatori mal progettati, etc. Se avessero mostrato il segnale in uscita dal player, esso non sarebbe stato stretto meno di 1 µsec, ma oltre 20 volte più largo e 20 volte più basso in ampiezza. Non solo, ma un filtro del terzo ordine presenta del ringing, ed ha sia overshoot che undershoot.

Questa era una delle tante bugie che Sony usava di routine per promuovere il loro "meraviglioso" sistema. La realtà era che Sony e Philips stavano per perdere 1 miliardo di dollari all'anno per via del brevetto CD in scadenza. Certe persone fanno di tutto quando così tanto denaro sta per svanire, e dire bugie rappresenta solo la punta dell'iceberg. Quindi, è bene essere abbastanza scettici quando si sente reclamizzare il DSD, perchè quasi ogni affermazione che fanno è chiaramente falsa.

Detto questo, il PCM non è certamente perfetto. Non fu pensato per essere perfetto. Esso fu pensato per sostituire le cassette. Ma si accorsero che potevano farci una fortuna, e allora il sistema crebbe più di quanto avrebbe dovuto. Il problema più grosso era che la tecnologia del tempo permetteva solo circa 12 bit reali di risoluzione (dei 16 nominali) e che per ottenere il tempo di riproduzione desiderato, contenere il diametro del dischetto e mantenere nel contempo i 20 KHz, era necessario l'utilizzo di un filtro "brickwall".

Wadia fu la prima a mostrare che i filtri brickwall danneggiano la qualità sonora. Ma ora, 30 anni dopo l'introduzione del CD, si può facilmente registrare e riprodurre un flusso PCM a 4 volte la velocità di campionamento. Con un campionamento 4x, è possibile usare un filtro piuttosto blando che non ha ringing, e così viene meno il vantaggio principale del DSD, mentre rimangono solo gli svantaggi:

a) Enorme quantità di rumore fuori banda. Il filtro previsto dallo Scarlet Book ne rimuove abbastanza da non permettergli di danneggiare tweeter o disturbare amplificatori, ma in alcuni casi è ancora avvertibile in certi impianti con SACD player.

b) Risposta in alta frequenza limitata. Il rapporto S/N del DSD a 100 KHz è meno di -30 dBFS. Conoscete qualche tipo di musica che contiene energia a -30 dBFS a 100 KHz? No, perchè non ne esiste. La risposta in frequenza utilizzabile del DSD è solo di 30 o forse 35 KHz.

c) Per registrare e riprodurre il DSD sono necessarie apparecchiature completamente nuove poichè lo schema di modulazione è differente.

d) Non è possibile alcuna manipolazione del segnale senza passare per il PCM. Quindi è necessario riconvertire in DSD, aggiungendo ulteriore rumore fuori banda. Non si può nemmeno aggiustare il livello o creare un fading, equalizzare o aggiungere riverbero o qualsiasi altro effetto. E' completamente inutile come formato di registrazione per la musica moderna. La workstation Sonoma converte il DSD in PCM 8-bit, e così molto probabilmente meno dell'1% di tutti i SACD pubblicati non sono passati per il PCM in un certo momento del processo di produzione.

e) Le apparecchiature necessarie sono costose e richiedono nuove tecnologie. Questo ha limitato l'ammontare disponibile di software.

La conclusione è piuttosto semplice. Il DSD non è stato pensato per dare un miglior suono agli audiofili. E' stato pensato per una cosa soltanto - per creare un formato licenziabile da sostituire al CD, di modo che Sony e Philips potessero continuare a fare soldi. Tutto qui, chiaro e semplice. Quindici anni fa, Sony era ancora un colosso con un enorme potenza di marketing, in grado di gettare fumo negli occhi di coloro (i recensori? -ndt) che ne avrebbero dovuto sapere di più.

Nel frattempo, il PCM ha raggiunto frequenze più alte di campionamento, ma la media degli ingegneri digitali non ha conoscenza della qualità sonora ne' della percezione umana. Così essi continuano a ripetere gli stessi errori che hanno sempre fatto, da quando l'audio digitale è stato commercializzato. Un filtro brick-wall a 96 KHz suona leggermente meno peggio di uno a 48 KHz, il quale a sua volta suona notevolmente meno peggio di uno a 20 KHz. Ma nessuno degli ingegneri digitali ha la visione necessaria per capire che, usando un campionamento quadruplo, si avrebbero i vantaggi di entrambi i sistemi DSD e PCM, con nessuno dei loro svantaggi.

Charles Hansen
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25/2/2015, 09:37
Hummm! Questa non è una pulce nell'orecchio è un elefante!
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25/2/2015, 10:28
Sono argomentazioni anti DSD note, ma per me solo parzialmente condivisibili. Innanzitutto pensare il DSD come qualcosa completamente diversa dal PCM è un po' fazioso, il DSD è un PCM a 1 bit con oversampling e noise shaping. Tecniche che pure il PCM usa proprio per supplire alla risoluzione effettiva degli ADC e ai problemi dei filtri. Chi ha sviluppato il DSD, lasciando perdere le considerazioni commerciali che aprono voragini insondabili, ha spostato il problema tutto sul noiseshaping, risolvendo alcuni problemi e creandone altri. Alla fine la quantità di informazione veicolabile è legata alla banda passante, partire da considerazioni neuroacustiche per sfruttare la banda non è una baggianata, anzi è la base fondante di tutta la tecnologia analogica audio. Diciamo piuttosto che è la parte di trattamento che il DSD non prende in considerazione, perché originariamente era stato concepito come un formato di stoccaggio del patrimonio analogico, senza alcun processamento solo per mantenere integri i contenuti di tanti nastri analogici ormai vicini al deperimento irreversibile. La SONOMA converte il DSD in WDSD con un procedimento molto più trasparente del vero e proprio passaggio in PCM (es il DXD), paga lo scotto di richiedere potenze di calcolo spropositate viste le frequenze in gioco. Molte volte però mi sono chiesto se certi DSD alla fine non suonassero "meglio" (n.b. le virgolette) solo perché avevano gioco forza subito meno gigionamenti lato master/editing, mah?? Comunque la Ayre, non credo  Hansen pace all'anima sua, ha prontamente tirato fuori la versione DSD del convertitore appena ha potuto. La questione che mi frulla in mente, non è tanto quale delle due tecnologie sia meglio o peggio, nel mio credo che siano più o meno equivalente a parità di quantità di dati, ma piuttosto qui prodest tutto ciò? Perché spingere sul DSD ora che comunque si può riprodurre da PC e copiare senza problem? È di fatto venuta meno la ragion d'essere dei SACD, la difficoltà di ripping, no? Perché spingere all'uso di convertitori DSD e forzare la conversione del PCM in DSD? Siccome non vedo le motivazioni tecnologiche o audiofile serie, quale è la ragione, la strategia commerciale occulta che muove il tutto? Sicuramente qualcuno di voi l'ha capita e me la può spiegare. Perfino gente come MSB che fa della conversione PCM Ladder il sui hit tecnologico, sbandiera in home page la frase "All MSB DACs are DSD ready!".
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25/2/2015, 12:15
L' unica ragione che posso immaginare è la promozione commerciale di DAC di ultima generazione in grado di gestire in entrata oltre a bit rate e frequenze di campionamento PCM più alti anche il formato DSD. In ultima analisi la finalità è sempre di spingere il consumatore all' acquisto di nuovi prodotti probabilmente inutili per quanto riguarda la qualità reale del suono ma che in effetti estendono la possibilità di fruire di diversi formati audio.
Come conclusione filosofica proporrei (anche a me stesso) di tentare di raggiungere la felicità, audiofila e non, eliminando dalla propria vita il superfluo o tutto ciò che riusciamo a identificare come tale...
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25/2/2015, 12:39
gig ha scritto:Come conclusione filosofica proporrei (anche a me stesso) di tentare di raggiungere la felicità, audiofila e non, eliminando dalla propria vita il superfluo o tutto ciò che riusciamo a identificare come tale...

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25/2/2015, 12:49
fstiffo ha scritto:Sono argomentazioni anti DSD note, ma per me solo parzialmente condivisibili. Innanzitutto pensare il DSD come qualcosa completamente diversa dal PCM è un po' fazioso, il DSD è un PCM a 1 bit con oversampling e noise shaping.

Attenzione, PCM e DSD non sono la stessa cosa, e dire che il DSD è un PCM a 1 bit, è completamente errato. Il PCM è di fatto una codifica, da cui deriva il significato della sigla stessa (Pulse Code Modulation), mentre il DSD è una modulazione pura e semplice, nel caso specifico una PDM (Pulse Density Modulation). Nel primo caso si associa il valore analogico ad un valore digitale codificato con bit di peso diverso, mentre nel secondo è la densità relativa degli impulsi a rappresentare il livello del segnale campionato.

Per il resto, ti faccio rispondere da Hansen stesso:

wisnon ha scritto:Thats my point, its NOT PCM, rather DSD wide, etc.

Hello Wisnon,

Qui è dove Sony è stata messa all'angolo. PCM è un termine tecnico. Esso fu sviluppato e usato da ingegneri ad ha un significato ben preciso che è compreso in modo chiaro e che permette agli ingegneri di parlarne in maniera precisa.

D'altro canto, "DSD" è un termine inventato dal marketing. "Direct Stream Digital" non significa nulla, eccetto quello che Sony ha voluto che significasse. In questo caso, si tratta di un sistema a modulazione di densità a 2.8224 MHz, e che usa un filtro del 7° ordine nel modulatore noise shaper.

Tutti gli altri termini sono un nonsense creato da persone con poche conoscenze tecniche. Il sistema Sonoma è un sistema PCM a 2.8224 MHz e 8 bit di dati. Alcuni lo chiamano "DSD Wide" perchè sono imbarazzati ad ammettere che in realtà è un sistema PCM.

Una delle bugie della propaganda Sony era che il DSD fosse più "puro" del PCM in quanto sistema a 1 bit, e quindi automaticamente esente da problemi di linearità. Questo spiega l'imbarazzo di Sony ad ammettere che Sonoma usa 8 bit ed è un PCM. Ogni volta che più di un bit viene utilizzato, ci si deve assicurare che tutti i bit abbiano la stessa grandezza. Ci sono vari modi per fare questo. Alcuni coinvolgono tecniche di trimmeraggio di alcuni elementi circuitali (di solito con il laser).

Il tuo DAC preferito è un DAC PCM che usa tecniche in realtà abbastanza collaudate. Essi hanno un algoritmo che impiega i bit in una modalità pseudo-random. Quindi gli errori derivati da bit non perfettamente uguali tra loro sono convertiti in un rumore pseudo-casuale. Philips ha usato una tecnica simile nei suoi chip DAC [ad esempio il TDA1541 - ndt] per decine di anni, prima del "ring DAC" (ancora, un altro termine di marketing), ma Philips lo chiamò "Dynamic Element Matching".

Come ho detto, Sony si mise in una situazione piuttosto difficile quando definì il DSD come sistema a singolo bit. Con solo 1 bit l'unica manipolazione del segnale che può essere fatta è un ritardo temporale. Punto. Non si può neanche modificare il livello (per un fade out, o per normalizzare tracce differenti) a meno che il segnale non sia convertito in multi-bit (PCM).

E quindi, in realtà, non esiste nulla che sia definibile come "puro DSD" in registrazione.  

Ci sono due modi in cui ci si può andare vicini:

1) Si prende un progetto completamente analogico, dove ogni cosa è stata fatta nel dominio dell'analogico e poi, come ultimo passaggio, si converte in DSD per la distribuzione. Il problema è che in questo modo si perdono gran parte dei vantaggi del digitale. A meno che non ci si curi troppo del risultato, sarebbe meglio ascoltare questo tipo di registrazioni rimanendo nel dominio dell'analogico, con un giradischi ad esempio, o con un nastro magnetico.

2) Telarc ha fatto diverse cose quasi completamente in "puro DSD". L'unico modo per fare una registrazione di questo tipo è registrare un evento dal vivo direttamente su hard disk. Tutta l'elaborazione del segnale (livelli, equalizzazione, riverberi e ogni altro effetto) deve essere fatto in analogico, in diretta dal vivo, senza overdub o ritocchi.

Questo è estremamente complicato. Telarc ci si avvicinò per quanto era tecnicamente possibile. Registravano diverse volte l'orchestra che suonava un particolare brano. Inevitabilmente c'erano dei passaggi dove qualche esecutore faceva degli errori, o qualcuno tossiva, e altre cose di questo tipo che andavano eliminate. Quindi era necessario sostituire i passaggi errati con quelli analoghi di un'altra ripresa.  

E indovinate? Tiravano fuori Sonoma e convertivano tali passaggi da sostituire con analoghi convertiti in PCM. Perchè convertirli in PCM? Perchè nessuna ripresa era esattamente allo stesso livello e seguiva lo stesso tempo dell'altra. La conversione in PCM fatta con Sonoma permetteva di aggiustare il livello e il tempo e di poter miscelare tali sezioni insieme al resto della registrazione.

Con queste edizioni di Telarc, c'erano piccole sezioni che passavano per Sonoma, ma in generale, il grosso della registrazione era "puro DSD". Queste sono le uniche uscite commerciali fatte con tale cura, per minimizzare la conversione in PCM.

Quindi, di tutti i SACD che abbiamo, quelli che anche solo si avvicinano ad un "puro DSD" si contano con le dita di una mano.

Eppure, le campagne commerciali furono così efficaci che convinsero centinaia di migliaia di audiofili (ed anche alcuni ingegneri del suono) che ci fosse qualcosa di "speciale" (forse addirittura qualcosa di "sacro") con il DSD che rendeva queste registrazioni "speciali" e in qualche modo differenti.

~~~~~~~~~~~

Se si va indietro e si leggono alcuni dei miei altri interventi, si vedrà che l'unica differenza tra il DSD e il PCM è nell'uso dei filtri digitali.

Ed ora veniamo al punto. Fate attenzione e cercate di seguirmi, in quanto questo è il punto cruciale.

Avete ragione a dire che molti SACD suonano meglio di molte registrazioni in PCM,

MA,

questo non ha niente a che fare con il numero di bit utilizzati. Ha invece molto a che fare con l'uso dei filtri.

Quasi ogni registrazione PCM che ascoltiamo deriva da un CD realizzato con una frequenza di campionamento che forza all'uso di un brickwall filter, sia in registrazione che in riproduzione (in realtà alcuni riproducono i loro CD senza tale filtro, con i cosiddetti non-oversampling - NOS - DAC, e ci sono vantaggi e svantaggi nel fare questo).

Brickwall filtering kills the music.

E' questo il motivo per cui il PCM non ci piace. Soprattutto ora che l'audio al computer (dopo la falsa partenza del 96/24 con i DVD-Video e del 192/24 del DVD-Audio) ha fatto del PCM ad alta risoluzione una realtà.

Ma ancora quasi tutte le apparecchiature high-res attualmente in produzione usano dei filtri brickwall. E così, invece di uccidere la musica, semplicemente la storpiano.

Il fatto è che, quando si arriva al PCM ad alta risoluzione, specialmente 4x, non c'è ragione di usare filtri brickwall. Se si registra in PCM high-res, e non si usano filtri, allora si ottiene il meglio di entrambi i mondi.

Si ha il suono naturale del DSD.

Si elimina tutto il rumore fuori banda del DSD.

Si ha tutta la facilità di manipolazione del segnale permessa dal PCM.

Non si devono comprare altre apparecchiature.

Charles Hansen
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25/2/2015, 14:32
Mi sono espresso male e mi scuso, e la tua spiegazione e quella di Hansen sono molto utili, aiutano a capire perché si è scelto 1 bit, avrebbero potuto codificare a 4 bit per esempio abbassando la frequenza di campionamento, ma avrebbero perso di vista il target, ovvero risolvere il problema della linearità. Il filtro opera come un integratore e il noise shaping come una funziona di peso. Può essere utile visualizzare la codifica ad 1 bit come ad una codifica di densità, ma la teoria del campionamento è la stessa del PCM, era quello che volevo dire, per sostenere che teoricamente nessuna tecnica campiona con più accuratezza.

Quanto alla teoria dei filtri brickwall, credo sia stata ormai metabolizzata anche dall'industria da un po'di anni, purtroppo quello che è stato digitalizzato tempo fa non si può più cambiare, in questo senso campionare col DSD forse aveva qualcosa di buono come idea all'origine. Per quanto riguarda la SONOMA, lasciando le terminologie commerciali imposte dal marketing SONY, ha comunque il pregio di preservare col WSDS il noiseshaping originale e di avere quindi una coerenza tonale superiore al DXD, almeno sulla carta.

IL trattamento numerico del DSD (non è completamente corretto ciò che si dice) si può fare, solo che dovendo operare nello spazio del tempo, risulta difficile in termini di clock dei DSP o delle CPU attuali, avere operazioni con delay temporali accettabili (qualche milli secondo). Le CPU e i DSP sono ottimizzati per trattare parole di più bit in un ciclo, ed è logico che la codifica multibit sia enormemente avvantaggiata da questo.

Magari sembra che faccio l'avvocato del diavolo contro il PCM a favore del DSD, non è così il DSD mi sta sul piloro, ma per motivi diversi, poco tecnologici. Ma se è vero che sul DSD c'è molta informazione tendenziosa e markettara (come giustamente fa notare Hansen), non posso pensare che gli ingegneri che l'hanno inventato fossero tutti dei celebrolesi, come sembrano sottintendere le citazioni, o che la ricerca sui RingDAC o sulla decodifica/codifica sigma delta sia solo fuffa commerciale. Mi fa strano che la teoria e le relative ingenierizzazioni siano tutte cacca e che esista un solo modo di fare le cose come si deve.

Nessuno poi evidenzia la controparte del campionamento 4x col PCM, ovvero l'aumento di stoccaggio e di risorse di calcolo esattamente x 4, per immagazzinare e trattare un quantità di informazione con grande probabilità totalmente inutile.
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25/2/2015, 20:55
Grazie bandAlex. sul digitale ho delle voragini enormi. se vai avanti così, tra qualche decennio, sono a bolla :)
Ottimo post.
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PCM vs. DSD Empty Re: PCM vs. DSD

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