Wie de audiowereld al een tijdje volgt (en dat doen de meesten van ons natuurlijk) zal het niet ontgaan zijn dat er een aantal spannende zaken speelt. Afgelopen twee jaar stonden wereldwijd veel audioshows in het teken van de SACD. Een nieuw digitaal formaat, uitgevonden door Sony en Philips. SACD is echter niet het enige nieuwe digitale formaat. DVD-Audio, uitgevonden door Matsuhita (Technics en Panasonic), is de grote concurrent van SACD en het is nog steeds de vraag welke van de twee formaten het gaat winnen.
Dit artikel staat hoofdzakelijk in het teken van SACD. We willen met hifi.nl meer aandacht besteden aan dit digitale formaat, en dit artikel wordt de eerste stap. Het debuut.
We gaan het hebben over de techniek van SACD, het verschil met de ordinaire 16 bits CD die we al kennen vanaf 1982, en natuurlijk de klankmatige verschillen, al zijn die niet in woorden uit te drukken. Deze moet u simpelweg zelf ervaren. Ook zullen we het hebben over het “multichannel” principe, want SACD biedt hiermee onbegrensde mogelijkheden.
Fred Haanebeek van Sony Nederland had me het eerste weekend van februari uitgenodigd om te komen luisteren naar een betaalbare SACD multichannel setup. Ik had een gesprek met hem over SACD, en zijn demoset liet me horen dat ook een relatief goedkope SACD set een superieure kwaliteit kan bieden. Daarover verderop in dit artikel.
De techniek
In het begin van de jaren `80 staken Sony en Philips de koppen bij elkaar en ontwikkelden een digitaal muziek-opslag-medium. De eerste stap werd gezet toen Philips-medewerker Klaas Compaan in 1969 een techniek bedacht om beelden en film op een kunststof schijfje op te slaan. Dit was een schijf vergelijkbaar met de huidige CD, maar dan 30 cm. in doorsnede. Deze schijf werd in 1975 geïntroduceerd als de Laser Vision Disc. De Laser Vision Disc werd de aanleiding om ook geluidsinformatie op een schijfje op te slaan. Tussen 1979 en 1980 hielden Philips en Sony een technical meeting, en besloten gezamenlijk een nieuw digitaal geluid-afspeel-formaat te produceren. Philips had met de Laser Vision Disc veel evaring opgedaan met het optisch vastleggen van beeldinformatie, en Sony had een goede foutcorrectie ontwikkeld. De Compactdisc werd een feit, en op de Firato van 1982 werd deze geïntroduceerd aan het publiek.
Natuurlijk is er een aantal doorslaggevende beslissingen genomen ten aanzien van de Compactdisc. Zo werd er bepaald dat het schijfje 12 cm doorsnede moest zijn. Dit omdat de diagonale doorsnede van een cassettebandje ook 12 centimeter was. De maximale opname duur van 74 minuten is ook geen toeval. Toenmalig Sony directeur Norio Ohga had gestudeerd aan het conservatorium in Berlijn. Het gerucht gaat dat, omdat de negende van Beethoven in zijn langste uitvoering 74 minuten duurt, dit een maatstaaf was voor de speelduur van de compactdisc! Nog een belangrijke beslissing was, dat het schijfje het hele frequentie gebied van 20 Hz. tot 20 KHz. moest kunnen weergeven. Hoger dan 20 KHz. achtte men (toen nog) niet noodzakelijk, daar de mens toch niet hoger kan horen dan 20 KHz.
Om muziek digitaal te kunnen opslaan moet een geluidsgolf omgezet worden in digitale informatie. Dat wil zeggen, binaire combinatie’s van nullen en enen. Deze nullen en enen moeten uiteindelijk in de CD speler weer worden omgezet in de oorspronkelijke geluidsgolf. Het voert hier te ver om de exacte werking van de A/D en D/A converters uit te leggen, maar graag geef ik een beknopte uitleg. In werkelijkheid is het proces ingewikkelder, maar daar zal ik in de toekomst in een vervolgartikel nog uitgebreid aandacht aan besteden. Om een geluidsgolf om te zetten in nullen en enen maakt de compactdisc gebruik van een 16 bits PCM (Pulse Code Modulator) A/D converter. Dit met een samplefrequentie van 44,1 KHz. Dit houdt in dat bij de opslag van een geluidsgolf de A/D coverter 44100 keer per seconde een monster neemt van de geluidsgolf. Hij meet dus 44100 keer de amplitude van de golf. Dit met een woordlengte van 16 bits, wat inhoudt dat er een marge is van 16 bits op het moment van de meting (bitstream converters even uitgesloten).
Om dit beter te begrijpen nemen we als voorbeeld een hoge sopraan. We nemen aan dat dit een toon is van 10 KHz. Zie onderstaande illustratie.
(Afbeelding: http://educo.vub.ac.be/comsite/MM/cursus/3opnverw.htm)
In dit voorbeeld wordt de amplitude (geluidssterkte) als functie van tijd uitgezet, en zien we slechts twee trillingcycli van de in totaal 10000 die er nodig zijn voor een 10 KHz. toon met een duur van één seconde.
In onderstaand figuur zien we hoe de “sampler” van de A/D converter op geregelde opeenvolgende tijdstippen de amplitude van de geluidsgolf meet. Op de vastgestelde ogenblikken (die geregeld worden door een klok, maar dit terzijde) 1, 2, 3, ..., 10, meet hij de amplitudes a1, a2, a3, ..., 10a.
(Afbeeldingen: http://educo.vub.ac.be/comsite/MM/cursus/3opnverw.htm)
Zoals we in dit voorbeeld zien, meet de sampler niet de hele golfvormen, maar op geregelde tijdstippen enkele punten van de golf. Elke meting wordt omgezet in een elektrische spanning, waarvan de waarde gelijk is aan de op dat moment gemeten amplitude. Deze spanningen worden in de A/D converter omgezet in binaire codes van nullen en enen.
In het bovengenoemde voorbeeld wordt er in totaal tien keer een sample genomen, wat dus neerkomt op vijf metingen per cyclus. In totaal dus 50000 keer per seconde. In de werkelijkheid gebeurt dit bij de compactdisc 44100 keer.
Het aantal bits bepaalt de nauwkeurigheid van de meting. Als voorbeeld kunnen we stellen dat de sampler bij elke meting een vertikale meetlat langs de geluidsgolf houdt. Het aantal streepjes op de meetlat bepaalt de nauwkeurigheid van de meting. Simpel gezegd kunnen we stellen, dat meer streepjes staan voor meer bits.
In het onderstaande voorbeeld kunnen we ook meteen de eerste nadelen van de Compactdisc zien. Als alle metingen in een seconde gedaan zijn, dan trekt de processor een lijn door alle puntjes. En zo zien we dat we dus niet de oorspronkelijke geluidsgolf terugkrijgen. Nou lijkt dat voorbeeld dramatischer dan het in werkelijkheid is, daar we hier een moment van 2/10 seconde uitvergroten. Maar toch. Een grammofoonplaat heeft namelijk wel een complete geluidsgolf opgeslagen.
(Afbeeldingen: http://educo.vub.ac.be/comsite/MM/cursus/3opnverw.htm)
Het tweede probleem waar we op stuiten is het beperkte frequentiegebied, met als vervelende bijkomstigheid de noodzakelijke steile lowpass filtering boven 20 KHz. Om een geluidsgolf digitaal goed te kunnen representeren moet de samplefrequentie minimaal twee maal zo groot zijn als de frequentie van het audiosignaal. Omdat 44.1 KHz. de hoogst bereikbare samplefrequentie was, konden audiosignalen met een frequentie van meer dan 22.05 KHz. dus niet juist digitaal gerepresenteerd worden.
SACD werkt volgens een heel ander principe dan het PCM systeem, namelijk volgens het zogenaamde Direct Stream Digital data systeem (DSD). Er zijn twee belangrijke verschillen. In de eerste plaats is de sample frequentie bij DSD veel hoger, namelijk 2.8224 MHz., dit is 64 keer hoger dan de sample frequentie van het PCM systeem zoals gebruikt in een traditionele Compactdisc. Dit lijkt erop dat dit veel meer disc ruimte in beslag neemt. Echter omdat het een 1 bit systeem is (1/16 van het traditionele systeem), resulteert dit uiteindelijk in een vier keer zo grote datacapaciteit. Dit is gelijk het tweede belangrijke verschil: namelijk het gebruik van 1 bit per sample representatie. Dit gebruik van slechts een bit is alleen maar mogelijk omdat de representatie van de golfvorm in bits volledig anders is dan bij het PCM systeem. Waar PCM per sample de absolute amplitude van de golfvorm op dat sample moment benadert, is er bij DSD sprake van een relatieve representatie. Dat wil zeggen dat op elk sample moment de gecumuleerde input van de golfvorm vergeleken wordt met de gecumuleerde input van de golfvorm op voorgaande sample momenten. Is de input hoger dan die van voorgaande sample momenten dan wordt dit gerepresenteerd door een digitale 1, valt de vergelijking negatief uit, dan bestaat de digitale representatie uit een 0. Op deze manier wordt dus het verloop van de golfvorm (de steilheid) weergegeven in plaats van telkens een benadering van de amplitude. In onderstaande figuur wordt dit principe getoond. Aan deze afbeelding kan je ook zien dat de digitale broncode ook een sterke verwantschap heeft met de oorspronkelijke golfvorm.
(Afbeeldingen: http://www.canadapromedia.com/Articles/sacd/sacd.htm)
Door de DSD techniek is er theoretisch een frequentiebereik tot 100 KHz. en een dynamisch bereik tot 120 dB mogelijk. Al heb ik deze specs nog niet terug gezien bij de huidige SACD spelers, maar dit terzijde. Doordat de 1 bit broncode direct op de SACD schijf wordt gezet zijn er geen decimatie en interpolatie filters meer nodig. Dit komt het audiosignaal ten goede!
De SACD schijfjes hebben dezelfde dikte en doorsnede als de normale CD. Er bestaan 3 soorten SACD`s:
1. Single HD Layer. Capaciteit 4,7 Gbyte
2. Dual HD Layer. Capaciteit 8,5 Gbyte
3. Hybrid Disc. De tweede laag is een 16 bits PCM laag,
De Single HD disc is alleen afspeelbaar op SACD spelers, en bevat enkel de DSD data.
De Dual HD Layer disc biedt door de dubbele laag meer opslagcapaciteit, waardoor er meer informatie kan worden opgeslagen voor bijvoorbeeld multichannel, en in de toekomst beeldmateriaal.
Bij de Hybrid disc wordt de tweede laag gebruikt voor 16 bits PCM data, zodat deze ook op normale CD spelers kan worden afgespeeld. De eerste laag bevat de DSD data voor SACD spelers.
Een SACD speler heeft dus twee lasers, zodat ook normale CD`s op een SACD speler kunnen worden afgespeeld.
