Der DA/Wandler oder auf englisch DAC

Hallo liebe Hifi-Gemeinde, der HIFI-Geek erzählt euch heute mal was zum Thema DAC oder auf Deutsch Digital-Analog-Wandler.

A Chip: Cirrus Logic CS4382 - 8-channel DAC from Sound Blaster X-Fi. This Photo is made by Andrzej Barabasz (Chepry) and licensed under the Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.

Was ist ein DA/Wandler (DAC)?

Ein DA/Wandler ist ein Gerät, das ein digitales Signal in ein analoges Signal umwandelt und jeder der das hier liest, hat mindestens einen, denn sie sind in allen möglichen Geräten verbaut. Nur mal eine kurze Auflistung der gängigsten Produkte:

  • Soundkarten
  • Handys
  • TVs
  • Monitore
  • MP3-Player
  • uvm.

Eigentlich jedes Gerät, das seine Aufgaben digital verarbeitet und mit uns versucht zu kommunizieren, denn der Mensch kann nur Signale verarbeiten die analog sind. Das betrifft sowohl das Sehen als auch das Hören. Wer also Filme von einem Player über HDMI an seinen Fernseher sendet, braucht einen DA/Wandler und auch derjenige der seine Musik über den Rechner oder sein Smartphone hören will, braucht so einen Wandler.

Doch warum erzähle ich euch das? Nun, in unserm letzten Beitrag ging es um Spotify und wie Ihr es am besten nutzen könnt. In jedem dieser Geräte steckt ein DAC. Der DAC ist der Dreh- und Angelpunkt, wenn es um die Verarbeitung der Signale geht. Ist er in seiner Leistung begrenzt, so kann er nicht das wiedergeben, was das Signal eigentlich zu bieten hätte. Dies bezieht sich in der Regel auf das Thema Highres, welches ich auch schon einmal erwähnt habe. Ich als Hifi-Geek beziehe mich hier hauptsächlich auf die Verarbeitung von Tonsignalen, welche sich von der Bildsignalverarbeitung im Grundprinzip nicht wesentlich unterscheidet.

In der Hifi-Szene gibt es zwei verschiedene Arten DA/Wandlern, einmal die Externen und einmal die Internen.

Zum Beispiel sind der Arcam FJM D33 oder der TEAC DU-H01 externe Wandler, also zusätzliche Geräte, die ich wie einen CD-Player an meinen Verstärker anschließe. Womit wir auch schon bei einem der besten Beispiele für einen internen DA/Wandler wären, der CD-Player. Dieser wandelt die digitalen Signale die durch den Laser von der CD abgetastet werden, in ein analoges Signal, welches er über Chinch (RCA-Anschluss) ausgibt.

Ein weiteres Gerät, das einen internen Wandler beinhaltet, ist der AV-Receiver. Schließlich muss er sämtliche Signale und Tonformate, die er zum Beispiel über HDMI vom BluRay-Player bekommt, in ein analoges Signal wandeln, damit dieses über die Boxen im vollen Surroundklang wiedergegeben werden kann. Wenn wir beim AV-Receiver und seiner Anschlussvielfalt bleiben, kann ich euch gleich auch beschreiben, welche gängigen Anschlüsse es für die digitale Übertragung gibt.

Anschlüsse:

Hier unterscheidet man zwischen optischer und elektronischer Übertragung.

Toslink-Stecker

Toslink-Stecker

Im optischen Bereich findet man in der Regel die sogenannten TOSLINK-Verbindungen (Toshiba LINK). Hier ist das Übertragungsmedium Licht, was den Vorteil hat, dass es nicht durch Kabelkapazitäten und Innenwiederstände verändert wird. Zudem besteht keine elektrische Verbindung und es kann somit keine „Brumm-“ oder „Masse-Schleife“ entstehen.

Der am häufigsten genutzte Vertreter der elektronischen Verbindungen dürfte wohl die Coaxialverbindung sein. Der Anschluss sieht in der Regel so aus wie ein Chinch-Anschluss (RCA-Anschluss) und auch die Kabel sehen aus wie gewöhnliche Chinchkabel. Die Daten werden im Datenformat S/PDIF (Sony / Philips Digital InterFace) gesendet. Damit dies aber auch mit so wenigen Fehlern wie möglich übertragen werden kann, benötigt man ein spezielles Kabel, welches einen Innenwiederstand von 75 Ohm aufweist. Kommt es zu einer Änderung dieses sogenannten Wellenwiderstandes, können Reflexionen im Kabel auftreten, die letztlich zu einem fehlerhaften Datenstrom führen.

BNC Stecker

BNC Stecker

Unter den Profigeräten und im Studiobereich findet man noch eine weitere Variante dieses Anschlusses und zwar in Form von einem BNC-Anschluss (Bayonet Neill Concelman).

XLR Stecker

XLR Stecker

Neben dem Coaxial S/PDIF gibt es dann auch noch die die AES/EBU-Schnittstelle (Audio Engineering Society/European Broadcasting Union). Auch diese findet man meist bei den Spezialisten und im Studiobereich. Hier wird das Signal symmetrisch übertragen und wird über XLR verbunden.

USB Male Stecker Type B

USB Male Stecker Type B

Das sind die gängigsten Verbindungen. Immer häufiger findet man vor allem bei den externen DA/Wandlern einen USB-Anschluss, der eine Verbindung mit dem Computer eingeht und somit als externe Soundkarte verwendet werden kann.

Hier unterscheidet man noch zwischen dem Synchronen und dem Asynchronen-Modus.

Wer übrigens seine bestehende Anlage für das Streaming von Musik nutzen möchte, kann dies ganz einfach mit Hilfe eines Apple AirProt Express und einem Toslink-Kabel bewerkstelligen. Ihr könntet auch den Klinkenstecker nutzen, aber mal unter uns, jeder DA/Wandler der in eurem Verstärker oder AV/Receiver verbaut ist, ist besser als der von diesem Gerät. (Eigene Erfahrung)

Ich werde nun etwas ausholen und schon auf ein Thema vorgreifen, welches ich euch eigentlich erst im nächsten Monat etwas näher bringen wollte. Und zwar das Thema Formate. Es hat insofern mit dem Thema DAC zu tun, als dass viele dieser Geräte die einen internen DA/Wandler haben, auch als Player für digitale Formate genutzt werden können. Ein bisschen hab ich ja schon im Thema HighResolution aufgegriffen, nun möchte ich es an dieser Stelle noch einmal wiederholen.

Es gibt verlustbehaftete und verlustfreie Audioformate

Das wohl bekannteste verlustbehaftete Audioformat unserer Zeit ist das vom Frauenhofer Institut entwickelte MP3-Format und heißt eigentlich: MPEG-1 Audio Layer III oder MPEG-2 Audio Layer III und ist meiner Meinung nach auch eines der größten Probleme in Hinsicht auf hochwertige Musikwiedergabe und das „Musik-Hören“ im klassischen Sinne. Wie genau das funktioniert, möchte ich an dieser Stelle nicht weiter erläutern.

Ich finde aber, dass Wikipedia hier eine gute Erklärung gibt:

Wie die meisten verlustbehafteten Kompressionsformate für Musik, nutzt das MP3-Verfahren psychoakustische Effekte der menschlichen Wahrnehmung von Tönen und Geräuschen aus. Zum Beispiel kann der Mensch zwei Töne erst ab einem gewissen Mindestabstand in der Tonhöhe voneinander unterscheiden. Vor und nach sehr lauten Geräuschen kann er für kurze Zeit leisere Geräusche schlechter oder gar nicht wahrnehmen. Man braucht also nicht das Ursprungssignal exakt abzuspeichern, sondern es genügen die Signalanteile, die das menschliche Gehör wahrnehmen kann. Die Aufgabe des Kodierers ist es, das originale Tonsignal nach an der Psychoakustik orientierten, festgelegten Regeln so aufzubereiten, dass es weniger Speicherplatz benötigt, aber für das menschliche Gehör noch genauso klingt wie das Original. Dabei spricht man bei subjektiver völliger Übereinstimmung von Original und MP3-Variante in der Wahrnehmung des Zuhörers von Transparenz. Die dabei vom Kodierer aus dem ursprünglichen Signal, zum Beispiel von einer Audio-CD, entfernten Daten bzw. Informationen gehen unwiederbringlich verloren, das heißt sie sind im MP3-Signal nicht mehr vorhanden und aus diesem auch prinzipiell nicht mehr rekonstruierbar. Dies erklärt den Ausdruck verlustbehafteter Kompression.

Unter einem vom Prinzip her gleichen Schema funktionieren auch die Formate

  • Windows Media Audio (WMA)
  • Advanced Audio Coding (AAC)

Sicher gibt es auch noch eine Vielzahl an anderen Formaten, aber diese hier sind wohl die gängigsten und bekanntesten.

Unter den verlustfreien Formaten unterscheidet man zwischen komprimierten und unkomprimierten Formaten:

  • FLAC der Free Loss­less Audio Codec ist wohl der belieb­teste Codec, wenn es darum geht seine Musik ver­lust­frei und platz­spa­rend auf einer Fest­platte unterzubringen.
  • ALAC oder auch Apple Loss­less, dürfte wohl für alle die bequemste Lösung sein, die Geräte von der Firma aus Cuper­tino nut­zen. Ein beson­de­rer Vor­teil ist hier, dass es äußerst unkom­pli­ziert ist und sich mit Itu­nes und Air­Play recht ein­fach ver­wal­ten und strea­men lässt.
  • AIFF ist das Pen­dant zu WAVE. Beide spei­chern die Daten unkom­pri­miert und ver­lust­frei ab, erzeu­gen dadurch aber grö­ßere Datenmengen als FLAC oder ALAC. Ein Vorteil von AIFF ist die Möglichkeit Methadaten in der Datei in Form von ID3-Tags zu hinterlegen. Dies ist mit Wave nicht möglich.
  • DSD (Direct Stream Digital): Angewendet wird die DSD-Technologie im Wesentlichen in der Super Audio CD (SACD). Die Verbesserung der Klangqualität basiert auf der 2,8224 MHz hohen Samplingrate eines Delta-Sigma-Modulators im Vergleich zu linearen 16-bit-Wandlern mit einer Abtastrate von 44,1 kHz der Red-BookAudio-CD.
  • DXD Digital eXtreme Definition ist eine Alternative zu DSD und wird gerne in Studios verwendet, da DSD nicht für das nachträgliche Editieren gedacht ist. DSD ist ein PCM-Signal mit einer Bittiefe von 24-Bit und einer Samplingfrequenz von 352.8 kHz. Das ist acht Mal mehr als bei einer CD. Die Datenrate ist mit 8.4672 Mbit/s pro Kanal extrem hoch.
Aber wie funktioniert ein solcher Wandler eigentlich?

Wie genau die Schaltung im inneren funktioniert soll hier nicht das Thema sein, hier müsst ihr wieder euren E-Techniker fragen. Aber so viel kann ich sagen und zwar, dass es zwei gängige Varianten zur Wandlung gibt:

Einmal das Pulsmodulationverfahren und einmal die Delta-Sigma-Modulation

Auflösung (Bittiefe)

Beim Aussuchen eines DA/Wandlers sind zwei Kennzahlen besonders zu beachten

Einmal die Bittiefe und einmal die Samplingfrequenz. Die beiden hab ich eben schon bei DXD und DSD erwähnt. Die Bittiefe gibt die Genauigkeit an Abstufungen an. Dies ähnelt der Bit-Angabe bei einem Monitor. Diese zeigt an wie hoch die Abstufung der darstellbaren Farben ist oder anders ausgedrückt wie viele unterschiedliche Farben man sehen kann. Bei der Musik ist das nicht anders: Hier gibt die Bittiefe an wie viele Abstufungen es im Signal gibt. Die Abtastrate oder auch Samplingrate gibt die Bandbreite an. Eine Abtastfrequenz von 44,1 kHz ergibt eine maximale übertragbare Frequenz von etwa 20kHz. Bei 96kHz Samplingrate erreicht man Übertragungsfrequenzen bis über 40 Kilohertz.

Zum besseren Verständnis greife ich hier mal auf den Inhalt der Seite http://www.highresaudio.com zurück:

[…] An der Pforte zur Digitalwelt stehen Analog/Digitalwandler. Wie mit einem Stroboskop lichten sie das Analogsignal in Momentanaufnahmen ab und dokumentieren den Vorgang mit Zahlenwerten.

Aber wie genau findet man aus den Zahlenkolonnen wieder zurück zum Ausgangspunkt? Wie exakt lassen sich daraus wieder die ursprünglichen Klänge rekonstruieren?

Das hängt im wesentlichen von drei Faktoren ab:

1. Wie viele Proben wurden pro Sekunde entnommen? Dies bezeichnet die Abtastrate oder Abtastfrequenz. Je höher sie ausfällt, desto höhere Frequenzen können digitalisiert werden.

2. Mit welcher Genauigkeit wurden die Amplituden der ursprünglichen Tonkurven festgehalten? Jetzt reden wir von Quantisierung, vereinfacht ausgedrückt von der Bitrate. Je geringer sie ist, umso stärker wird das Signal „verzerrt“.

3. Welche Quantisierungsmethode wurde verwendet? Eine unpassende Methode kann zu einer starken Verschlechterung der Signalqualität führen.

Die Seite zeigt auch durch Messungen und weiteren Erklärungen wie man die beiden Kennzahlen zu verstehen hat. Daher meine Empfehlung für euch: http://www.highresaudio.com/texte.php?ca_id=91

So, das war jetzt einiges zum Thema DA/Wandler und noch mehr. Schauen wir doch, was wir von HIFI COMPONENTS da so alles in Petto haben:

DA/Wandler Produktbeispiele

Als Beispiel hatte ich ja schon den Arcam FJM D33 und den TEAC DU-H01 erwähnt. Der Arcam ist wirklich ein Sahnestück. Gut, von außen macht er nicht viel her, aber hier punktet die Anschlussvielfalt und die inneren Werte: 2x Burr Brown 24-bit 192 kHz Advanced Segment Delta-Sigma.

Oder der SA-KI Pearl Lite. Hä, was soll das denn, das ist doch nur ein CD-Spieler? Nicht ganz: Der KI-Pearl bietet unter anderem auch die Anschlüsse USB-Asynchron, Coaxialeingang sowie einen Toslink-Eingang. Die letzten beiden sind auch als Ausgang verfügbar. Wer dem DA/Wandler vom Marantz nicht vertraut, der kann somit das Digitalsignal auch wieder ausgeben. Verbaut wurde hier ein CS4398, das ist ein 120 dB, 24-Bit, 192 kHz Stereo D/A Converter mit DSD.

Oder aus dem Hause Marantz der SR7007. Hier wurde ein Chipsatz von Analog Devices (ADV 7850 plus ADV 8003) verbaut. Diese sind nicht nur für die Musikwandlung gedacht, sondern liefern auch einige Feinheiten wie 4K-Upscaling, was eher für den Videobereich wichtig sein könnte. Die hochauflösende Tonverarbeitung wird, soweit ich das verstanden habe, vom ADV8003 übernommen.

Fragen und oder Anmerkungen?
Ich freue mich auf eure Postings 🙂

 

Thema: Audio Streaming

 

Quellen:





29. August 2013 von HIFI-Geek
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