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DSD, ein Format mit Zukunft? – Erster Teil

16.05.2012 // Dirk Sommer und Andreas Koch

Diese Technologie wurde wegen ihrer besseren Linearität und konstanten Qualität in Bezug auf die verwendeten Bauteile gewählt, da hier die meisten schwerwiegenden Signalbearbeitungen in die digitale Ebene verlagert wurden, so dass sie von der Veränderung elektronischer Komponenten im Laufe der Zeit nicht beeinträchtigt werden. Dieses Verfahren wurde schnell in die meisten Wandler-Systeme übernommen, so dass man durchaus behaupten kann, dass wir seit den späten 80-ern eine Form von DSD gehört haben, ohne es überhaupt zu wissen.

Als dann die Wissenschaft Fortschritte machte und wir unsere Erfahrungen mit Digital-Audio, begannen wir zu erkennen, dass die Algorithmen für die DSD zu PCM und PCM zu DSD Konvertierungen tiefgreifende Auswirkungen auf die Klangqualität haben können, wenn sie nach klassischen Formeln berechnet werden. Das sind relativ komplizierte Algorithmen und sie brachten ein neues Phänomen hervor, das wir als „digitalen Klang‟ oder „Ringing‟ beschreiben. Daher waren die Ingenieur-Teams von Sony und Philips bemüht, die Konvertierungsschritte in PCM und zurück aus der Wandlung zwischen analog und digital gänzlich zu entfernen. Dieser DSD-Pfad, der PCM völlig umgeht, ist oben in Abbildung 1 dargestellt. Wie es für gewöhnlich der Fall ist, führte auch hier die Vereinfachung im Signalweg zu klanglichen Verbesserungen. So war es keine Überraschung, als die ersten Hörtests derart gute Ergebnisse brachten, dass das DSD-Format als ideale Archivierungsform für Tonstudios angesehen wurden. Das allein sagt genug zur Klangtreue dieses Formats. Zu dieser Zeit zog kein Aufnahmestudio die Archivierung seiner Analogaufnahmen auf PCM auch nur in Erwägung.

Zur selben Zeit fand das neue DVD-Format Verbreitung und seine Besitzer warfen sogleich die Frage auf, ob es nicht geeignet sei, das in die Jahre gekommene Redbook-CD-Format zu ersetzen. Dessen Lizenzinhaber, Sony und Philips waren davon verständlicherweise höchst alarmiert und beeilten sich, eine konkurrierende Audio-Disc vorzuschlagen, die das DSD-Codierungs-Schema benutzt, um den Anforderungen der Musikindustrie stärker gerecht zu werden. Es entbrannte ein regelrechter Format-Krieg zwischen SACD und DVD-Audio, den glücklicherweise die SACD gewann. Daher wurde DSD in vielen digitalen Aufnahmestudios benutzt, so dass inzwischen eine riesige Bibliothek von DSD-Aufnahmen besteht, auch wenn viele davon bisher nur als PCM-Konvertierung veröffentlicht wurden.

Für die Produktion von SACDs wird meist DSD mit einer Abtastrate von 2.8224MHz (64 x 44.1kHz) benutzt. Das Aufnahme-Equipment lief aber oft auch mit der doppelten Abtastrate von 5.6448MHz (128 x 44.1kHz). Dieses Format verwenden Studios besonders gern zur Archivierung ihrer analogen Aufnahmen. Aufnahmegeräte für die doppelte DSD-Abtastrate sind selbst in höherer Qualität recht günstig zu haben, so dass auch Endverbraucher es zum Archivieren von Schallplatten und Tonbändern nutzen können, um die DSD-Files dann über audiophile High-End-D/A-Wander komfortabel in ihrem Hörraum wiederzugeben.

Die theoretische Bandbreite eines DSD-Signals mit einer Abtastrate von 2.8224MHz (64 x 44.1kHz) beträgt 1.4112MHz, während ein 96kHz-PCM-Signal eine Bandbreite von 48kHz erreicht und ein 192kHz-PCM-Signal eine Bandbreite von 96kHz. Die hohe Bandbreite von DSD hat allerdings ihren Preis: Delta-Sigma-Signale sind lediglich mit einem Bit quantisiert und haben daher keinen großen Dynamikbereich. Deshalb muss in Delta-Sigma-Wandlern ein Prozess integriert werden, der „Noise Shaping‟ genannt wird und der den Dynamikbereich im nutzbaren Audio-Bereich (0-20kHz) vergrößert und dann zu hohen Frequenzen hin langsam verringert. Das mit Noise Shaping versehene Delta-Sigma-Signal wird dann DSD genannt. Abbildung 2 zeigt den typischen Dynamikbereich eines DSD-Signals mit einer Abtastrate von  2.8224MHz, der im Audioband unter 20kHz größer sein kann als 150dB. Zudem folgt der zu hohen Frequenzen langsam ansteigende Rauschteppich in gewissem Grad unserer Hörschwelle für Transienten, die nachweislich bis hinauf zu 100kHz zu hören sind. Selbstverständlich hat DSD mit der doppelten Abtastrate einen ausgedehnteren Audio-Bereich von 0-40kHz, über dem dann der Rauschteppich sanft anstreigt.

Abbildung 2 zeigt auch die theoretischen Dynamikbereiche von PCM-Signalen verschiedener Abtastraten. Achten Sie auf die steilen Übergänge, die PCM-Signalen typischerweise eigen sind. Diese können hörbare Nebeneffekte haben wie zum Beispiel das Pre-Ringing, wenn man ihnen nicht mit speziellen Algorithmen entgegenwirkt. Prinzipbedingt kommen diese Nebeneffekte bei DSD-Signalen nicht vor.

Abbildung 2
Abbildung 2

Wie wir daraus erkennen können, ist DSD durch die folgenden Eigenschaften gekennzeichnet:

  • ein großer Dynamikbereich im Audio-Bereich (0-20kHz)
  • ein langsamer und nicht sprunghafter Anstieg des Rauschteppichs zu hohen Frequenzen hin
  • ein bis in den Megahertz-Bereich ausgedehnter Frequenzgang

Diese Eigenschaften machen DSD zu einem ernsthaften Wettbewerber bei der Wahl von hochaufgelösten Audio-Formaten. Manchmal wird DSD wegen des im Signal enthaltenen Hochfrequenz-Anteils kritisiert (vergleiche Abbildung 2). Doch alle Wandler begrenzen die Menge des Rauschens, das auf der analogen Seite ankommt. Dieses Rauschen korreliert üblicherweise nicht mit dem Musiksignal und kann deshalb von unserem psychoakustischen System leicht herausgefiltert werden. Darüber hinaus nehmen es die meisten Hörer nicht einmal wahr. DSD mit doppelter Abtastrate löst das Problem, indem es den Anstieg des Rauschteppichs um etwa 20kHz auf der Frequenzachse nach oben verschiebt und derart das gesamte Rauschen bei höheren Frequenzen dramatisch reduziert.


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