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Comprender las mediciones de audio digital.
Un tutorial detallado sobre cómo se puede caracterizar el verdadero rendimiento de los DAC (ya sean independientes o parte de tu procesador AVR o A/V).
Sin ningún entrenamiento formal, la mayoría de nosotros entendemos las mediciones analógicas básicas, como la respuesta de frecuencia. Los conceptos son intuitivos: cualquier desviación de la amplitud plana a cualquier frecuencia muestra una anomalía. Entrar en el audio digital, como pasa con los convertidores digitales a analógicos (DAC), el juego se vuelve mucho más complejo, abarcando muchos dominios de audio, desde el procesamiento de señales hasta la psicoacústica. ¿Sabes qué es el dBFS? ¿Qué tal la composición de una onda cuadrada?
Podrías pensar que el audio digital es “perfecto", y por lo tanto no hay necesidad de medir dichos dispositivos. Ese no es el caso. Si bien los datos digitales están ahí para siempre, en el momento en que los conviertes los datos en sonido, es un voltaje analógico que es idealmente preciso a 24 bits. Resulta que esto es imposible en la vida real, pero muchos DAC están muy por debajo de lo que se puede hacer. Algunos DAC incluso no llegan a 16 bits y mucho menos a 24 bits.
Muchos fabricantes de DAC utilizan chips DAC listos para usar de los mismos pocos proveedores de silicio. Por desgracia, dos implementaciones de DAC que utilizan chips DAC idénticos pueden tener un rendimiento muy diferente. Lamentablemente, el precio, la reputación de la marca, el diseñador detrás del producto, las críticas brillantes y la adopción del mercado no predicen el rendimiento. He probado más de 120 DAC hasta ahora [ahora más de 220] y los resultados están por todas partes… Algunos DAC de bajo nombre tienen un rendimiento excepcional. Otros de empresas muy respetadas que venden al publico por miles de dólares fracasan miserablemente cuando se miden de la misma manera.
Para darte una idea de lo variado que es el rendimiento de los DAC, echa un vistazo a la Figura 1. Esta es una clasificación ordenada de calificaciones "SINAD" para 118 DAC. SINAD es la relación entre señal y ruido sumada con distorsión. Cuanto mayor sea el SINAD, menor será la cantidad de ruido y distorsión. ¡El rango de SINAD en los DAC de prueba de la Figura 1 es de un increíble 55 dB a 118dB! Recuerda, dB es una escala logarítmica, por lo que incluso las pequeñas diferencias pueden ser significativas.
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Figura 1: Clasificación SINAD (distorsión y ruido) de una gama de productos probados en AudioScienceReview.com
Dado que hay variaciones de productos y condiciones de prueba que varían un poco, no sugiero que los lectores miren demasiado de cerca los números de SINAD. En su lugar, ve por el "bloque" en el que caen según la codificación de colores. Para obtener el mejor rendimiento, quieres productos en el bloque azul y evita los que están en rojo.
Sin embargo, nos estamos adelantando. Veamos qué significan esas mediciones y cómo evaluarlas.
Instrumental
Las mediciones de audio se realizan utilizando instrumentos especializados para este propósito. Si bien puede realizar algunas de estas mediciones utilizando una buena interfaz de audio/tarjeta de sonido (ADC) y el software apropiado, todavía tengo que encontrar una combinación que replique lo mismo que lo que se puede hacer con el hardware de medición de audio dedicado. Estos dispositivos se ejecutan en un " bucle cerrado", lo que significa que pueden cambiar uno o dos parámetros, medir la salida del DAC y luego repetir. Esto nos proporciona datos en una gama de puntos de operación que pueden descubrir problemas que no son visibles con las mediciones "estáticas".
El líder en instrumentación para mediciones de audio, es Audio Precision. Sus analizadores transformaron la industria de la medición de audio en la década de 1990 y han seguido manteniendo su liderazgo hasta hoy. Usarlos significa que hay una buena probabilidad de que alguien más tenga acceso a ellos y pueda replicar las mediciones. Desafortunadamente, estos analizadores no son baratos. El modelo APx555 que uso tiene un precio de venta al público de 28.000 dólares.
Hay modelos de menor costo (de otros fabricantes como Prism Sound), pero renuncias al rendimiento. En el contexto de la medición de DACs de última generación, necesitamos asegurarnos de que la propia distorsión y el ruido del analizador sean insignificantes en comparación con lo que se está midiendo. Para darte una idea, el APx555 obtendrá una puntuación superior a 120 en la prueba SINAD de la Figura 1. Llega allí usando un procesamiento de señal elegante y el uso de dos convertidores analógicos a digitales (ADC) en paralelo. El APx555 es esencialmente un equipo sin distorsión.
Varios fabricantes (buenos) incluyen mediciones de Audio Precision, aunque algunos son del antiguo sistema de la serie "2700". Así que aprender cómo funcionan las mediciones del Audio Precision en este artículo, también te ayudará a entender esas especificaciones. Cabe destacar que la gran mayoría de equipo de las empresas que proporcionan gráficos tan detallados funcionan bien y reciben grandes elogios de mi parte en mis reseñas. La falta de gráficos de medición generalmente significa que la empresa nunca midió el dispositivo o no siente que las mediciones proporcionen una imagen positiva del producto. Ambas son malas noticias si eres un consumidor.
El tablero
El APx555 tiene un modo en tiempo real en el que el analizador mide constantemente el rendimiento de un dispositivo. Lo he configurado para que en una sola instantánea tengamos una buena idea del rendimiento de un DAC. He acuñado estas mediciones como el "panel" y puedes ver una muestra de él en la Figura 2. Este es un DAC multicanal de alto rendimiento de una pequeña empresa europea llamada "Okto Research".
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Figura 2: Vista del panel de control de Okto Research DAC8
Este es un DAC USB y el analizador Audio Precision APx555 lo está controlando usando esa interfaz. Puedes ver esto en las nota a pie de página; en verde con el término "ASIO". ASIO es una interfaz de controlador de audio que el APx555 utiliza para hablar con el DAC via USB (desafortunadamente no es compatible con ninguna otra interfaz en este momento). Si estuviera usando interfaces S/PDIF o entradas ópticas para comunicarme con el DAC, esas aparecerían en en la descripción de entradas y salidas.
Junto a la interfaz de salida vemos 44100, que es la frecuencia de muestreo seleccionada. 44100 es la frecuencia de muestreo para CD y casi todos los servicios de transmisión de audio. Esto se puede cambiar fácilmente y lo hago para otras pruebas (por ejemplo, jitter). Dado que el muestreo basado en CD de 44,1 kHz es tan popular, tiene sentido centrarse en eso en nuestro panel de control.
El siguiente texto en verde dice que la entrada de selección es “Análoga Balanceada” y eso es exactamente lo que es. El Okto Research DAC8 solo tiene salidas XLR balanceadas, así que eso es lo que estoy midiendo. Si estuviera probando conexiones RCA, diría "Desbalanceado" allí en su lugar.
"200 Kohm" es la impedancia de entrada del analizador Audio Precisión al probar las conexiones balanceadas XLR. Esta es una impedancia muy alta, lo que significa que el analizador esencialmente no carga la salida del DAC y generalmente representa el mejor rendimiento que puede producir. Si tiene un preamplificador con una impedancia de entrada muy baja, es posible que se enfrente a problemas no representados aquí, aunque tales dispositivos tienden a ser muy raros.
El siguiente fragmento de texto no es importante ("5.000 Vrms"). Eso solo dice cuál es la escala en el panel superior izquierdo. Así que ignora eso.
El último texto de la línea de estado es muy importante, ya que muestra el ancho de banda de medición. A pesar de que el analizador APx555 está diseñado para audio, puede medir bien fuera de nuestro rango auditivo a 1 megahercio. Utilizo un ancho de banda tan amplio al probar amplificadores de clase D, ya que crean ruido de conmutación en cientos de kilohercios. Para los DAC en la vista del panel de control, limito el ancho de banda a 22,4 kHz, que está justo por encima del rango auditivo normal. Y eso es lo que ves en ese texto para el límite superior de análisis.
La banda inferior dice "AC (< 10 Hz)" significa que NO estamos midiendo hasta DC (0 Hz). Un desplazamiento de CC puede alterar el sistema de medición, por lo que a menos que haya una buena razón para ello (por ejemplo, la respuesta de frecuencia de medición), uso el filtro de medición "AC" que ignora las frecuencias extremadamente bajas por debajo de 10 Hz.
Los siguientes son los parámetros de la prueba.
Todo lo demás es un análisis de lo que sale del DAC. Vamos a profundizar en esos.
En la parte superior izquierda vemos una forma de onda. El generador digital en APx555 se ha configurado para emitir un tono de 1 kHz y eso es lo que vemos en esa pantalla de forma de onda. La profundidad de la muestra es de 24 bits, por lo que tenemos una precisión extrema aquí. El DAC toma estas muestras digitales "perfectas" y genera una forma de onda analógica a partir de ellas. Eso es lo que estamos viendo en la parte superior izquierda. Llamo a esto la pantalla de "dominio del tiempo" para contrastarlo desde el FFT, que es el dominio de frecuencia de la misma señal (explicado más adelante).
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Figura 3: Panel del generador de audio digital Audio Precision APx555.
He mostrado el panel del generador de frecuencia digital en APx555 en la Figura 3. Como ves, puedo establecer la frecuencia en lo que quiera. 1 kHz es la norma de la industria para muchas mediciones, así que eso es lo que estoy usando en esta vista del panel de control.
El "nivel" o amplitud de la señal tiene una escala divertida: dBFS. Esto significa decibelios (dB) de escala completa. En el dominio digital, no hay concepto de voltajes. Todo es solo un número. Así que confiamos en una escala logarítmica relativa. 0 dBFS es la amplitud completa dentro del formato que hemos establecido (PCM de 24 bits). Dado que se trata de una escala de dB, cada reducción del dBFS en 6 dB representa reducir a la mitad el voltaje de salida analógico del DAC.
A menudo lees en mis reseñas que el valor de dB es de muchas tipos. Podemos convertir dB a un número equivalente de bits (ENOB) simplemente dividiendo el valor de dB por 6 (esto es un poco de aproximación). Así que si configuro el generador digital en -120 dBFS (recuerde que 0 dBFS es máximo, por lo que todos los números permitidos son negativos o menores que el máximo), significa que le estoy diciendo al DAC que reproduzca un voltaje que está representado por 120/6 = 20 bits. Si lo configuro en -96 dBFS, entonces le pido al DAC que efíe un nivel más cercano a lo que representarían las muestras de audio de 16 bits (16 * 6 = 96 dB).
Para el panel de control como se muestra, la prueba suele estar en 0 dBFS. Digo generalmente porque al medir la salida RCA/desbalanceada nos gusta ver una salida de voltaje nominal del DAC de alrededor de 2 voltios. Cualquier cosa menos significaría que el DAC puede no tener suficiente salida para llevar su amplificador a los niveles de potencia máximos dependiendo de su sensibilidad. Para la salida XLR balanceada, esto se duplica a 4 voltios. En nuestro panel de muestra vemos 3,1316 voltios (RMS), que es demasiado bajo. La empresa en cuestión ha recibido estos comentarios y planea lanzar productos a 4 voltios.
Si el voltaje de salida DAC es más alto que estos valores nominales, a menudo bajo el dBFS gradualmente para reducirlo a donde deberían estar. Esto a veces reduce los niveles de distorsión y mejora el desempeño SINAD. A veces no hace diferencias…
El siguiente "medidor" está en la parte inferior izquierda y representa la frecuencia medida a partir de la salida del DAC. Recuerde que le dijimos a nuestro DAC que produjera un tono de 1 kHz. Lo que vemos viniendo del DAC está un poquito movido a 0.99998 kHz. La razón de esto es que todos los DAC tienen un reloj local interno que tiene algún error de precisión. En este caso, esta lento por un pelo. Es por eso que si pones dos DAC tocando uno al lado del otro, pueden desfasarse el uno del otro con el tiempo. Este campo es informativo y generalmente no muestra ningún problema.
Ahora centrémonos en la importante ventana "FFT" en la parte superior derecha. Esa es una conversión matemática de la forma de onda de la izquierda (la onda sinusoidal) en sus componentes fundamentales en el dominio de la frecuencia. Le dijimos al DAC que produjera un tono de 1 kHz y eso es exactamente lo que ha hecho. Eso supone un DAC perfecto que es perfectamente lineal, lo que significa que produce salidas con una precisión infinita a lo que se le está introduciendo. Todos los DAC tienen errores de conversión que crean no linealidad. Esto significa que una sola onda sinusoidal que entra, dará como resultado esa onda sinusoidal que salga, más la distorsión armónica (múltiplos de la frecuencia de origen). Además de la distorsión armónica, también tenemos ruido y, a menudo, tonos espurios mezclados que no están relacionados con lo que le pedimos al DAC.
Debido a que las no linealidades en el audio son bastante pequeñas en relación con la señal principal (un tono de 1 kHz en este caso), no podemos verlas en la onda sinusoidal en la parte superior derecha (señal de dominio de tiempo). La conversión al dominio de frecuencia desmonta muy bien la salida del DAC en subcomponentes que muestran cada distorsión y tono espurio con facilidad.
La vista del panel muestra que el DAC que se está midiendo tiene un segundo armónico (2 kHz) por debajo de -130 dB (la señal de 1 kHz se ha establecido en 0 dB). Traduciendo esto en profundidad de bits, la segunda distorsión armónica está por debajo de 21 bits de resolución. Esto está muy por debajo de un nivel audible, ya que nuestra audición en el mejor caso tiene un rango dinámico de 116 dB. En ese sentido, incluso el tercer armónico más alto a -128 dB más o menos está muy por debajo de los niveles de audibilidad. En otras palabras, este DAC es objetiva y demostrablemente transparente para nuestra audición cuando se trata de distorsión.
Al crear la pantalla FFT, le decimos al sistema cuántas muestras de audio usar. En el caso del tablero, esto se establece en 32000, lo que da una muy buena resolución para ver los picos de distorsión. Podemos aumentar este número a más de 1 millón en el APx555. Utilizo 256.000 cuando muestro un espectro FFT dedicado de 1 kHz, como se ve en la Figura 4. El DAC en esta prueba tiene muchos, así que vemos un "spray" (serie) de picos de distorsión, que son peores en el canal azul.
Para esta medición, he establecido la frecuencia máxima mucho más alta, lo que nos permite ver lo que está por encima de nuestro rango auditivo de 20 kHz. vemos algunos "spurs" (tonos espurios) entre 45 kHz y 50 kHz. Aunque no es audible, una buena ingeniería significa que el DAC no escupiría tantas frecuencias no deseadas.
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Figura 4: Espectro FFT de distorsión y ruido en un DAC.
Volvamos a nuestro panel de control y veamos el medidor de relación THD+N. Esta es una sola figura de mérito para los equipo de audio que ha existido desde siempre. La medición se realizó reproduciendo un tono de 1 kHz, capturando esa salida y filtrando el 1 kHz con un filtro de muesca muy estrecho. Todo lo que queda es distorsión o ruido. Súmalos todos y obtendrás THD+N. Con nuestra moderna instrumentación podemos elegir cualquier frecuencia para las pruebas, pero como la tradición es de 1 kHz, me he quedado con eso en el tablero.
Nota importante: puedes sentirte tentado a leer el nivel de ruido de DAC desde la parte ruidosa del gráfico/piso en el FFT. ¡NO HAGAS ESTO! El verdadero nivel de ruido de un DAC es mucho más alto. Cuando realizamos medición por FFT, cuantos más puntos usemos, menor será el ruido del suelo. Esto se llama "ganancia FFT" y es algo bueno, ya que nos permite ver productos de distorsión que pueden estar bien enterrados dentro del piso de ruido del DAC (y ADC en el equipo de medición). ¡La ganancia puede ser de entre 30 dB y 40 dB más baja que la realidad! Las matemáticas se pueden usar para retroceder esta ganancia usando el número de puntos de analisis.
En lugar de hacer eso, podemos medir la suma de distorsiones + ruido en forma de THD + N (distorsión armónica total + ruido). Esto es lo que se muestra en nuestro medidor de relación THD+N por debajo del FFT. THD+N es una cifra de mérito muy común citada en muchas especificaciones de productos.
Debajo de THD+N está la figura de SINAD a la que hice referencia anteriormente. SINAD es en realidad el mismo valor que THD+N, pero se expresa en dB en relación con la amplitud de la señal. Esto es bueno porque podemos, de un vistazo, comparar el SINAD con nuestro rango dinámico auditivo de 116 dB y saber si son mejores o peores que él. Esta es una parte posterior de un cálculo de sobre para la audibilidad, así que no lo ejecutes por completo. Úsalo como una aproximación de primer orden. Si un DAC tiene mejor SINAD que 116 dB, entonces tenemos una confianza muy alta en la transparencia del sonido. Si el SINAD está por debajo de 116 dB, entonces la naturaleza del espectro de distorsión nos dirá si la distorsión es audible o no (es decir, tenemos que mirar el FFT).
THD+N versus Frecuencia
Nuestra vista del panel de control es una instantánea de rendimiento a 1 kHz. El rendimiento de los dispositivos en general varía a medida que cambia la frecuencia de la fuente de entrada. Es muy fácil crear tal "barrido" en el APx555, haciendo que varíe la frecuencia de la fuente del generador digital y midiendo el THD+N en ese punto desde la salida del DAC. Puedes ver esto en la Figura 5.
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Figura 5: THD+N (distorsión+ruido) frente a la frecuencia de la fuente.
Ten en cuenta que la medición de la Figura 5 tiene un ancho de banda de 90 kHz, a diferencia del “tablero”, que utiliza 22,4 kHz. ¿Por qué tanto más alto? Los armónicos son múltiplos de una frecuencia. En el panel de control, utilizamos un tono de 1 kHz para que sus múltiplos hasta 22 kHz se puedan capturar en 22,4 kHz de ancho de banda. Aquí vamos a subir a 20 kHz en frecuencia de origen, así que si nos detenemos en solo 22,4 kHz, tampoco capturaremos ninguna distorsión armónica, ya que el segundo armónico está a 40 kHz. Al usar un ancho de banda de 90 kHz, podemos capturar hasta un cuarto armónico de 20 kHz, que mide la mayor parte de la distorsión que vamos a ver.
Por desgracia, el mayor ancho de banda de 90 kHz significa que no solo capturamos la distorsión armónica, sino también cualquier ruido ultrasónico y tonos espurios. Podemos ver esto una vez más en la Figura 6 si medimos el Schiit BiFrost DAC.
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Figura 6: THD+N frente a la frecuencia para un DAC de menor rendimiento.
El aumento de THD+N en un canal se debe probablemente a tonos ultrasónicos no deseados que la distorsión armónica real. Observe lo peor que es ese gráfico en azul comparado con el DAC en rojo, que es una tarjeta DAC ("Khadas Tone Board”) de bajo costo (U$S99).
La lección más importante es que cada gráfico o especificación THD+N debe incluir el ancho de banda utilizado para la medición. De lo contrario, los datos no se pueden interpretar.
Ten en cuenta que algunos fabricantes y reviewers utilizan “ponderación tipo A" al indicar THD+N. Este es un filtro estandarizado que iguala la salida del DAC para tener menos amplitud a bajas y altas frecuencias. Se dice que esto se ajusta mejor a nuestra audición. Por desgracia, el gráfico en “ponderación A” es una visión demasiado simplista de nuestra audición, así que no lo uso. En casi todos los casos, la ponderación reduce el THD+N, por lo que es popular entre los fabricantes.
Jitter y Ruido
La mayoría de los audiófilos han oído hablar del término jitter, ya que el material de marketing para DAC está salpicado de él. Las especificaciones típicas podrían ser "10 picosegundos de jitter" o una declaración de que se utiliza algún "femtoclock" para el oscilador DAC. ¡Por favor, ignora todas esas conversaciones! Por un lado, no nos importa lo preciso que sea un reloj DAC. Puedo ralentizar o acelerar la música en un 0,1 por ciento y no tendrías ni idea. Ese número de picosegundo no vale nada porque la fluctuación viene en todas formas y es su naturaleza lo que determina la audibilidad, no lo que sea el total de la suma de valor único.
Ten en cuenta también que a menudo los fabricantes dan especificaciones de fluctuación para el reloj que impulsa el DAC. Esto no nos interesa, ya que no escuchamos ese reloj. Escuchamos la salida analógica del DAC. Esa salida analógica puede o no estar influenciada por algunas variaciones del reloj del DAC. Es importante destacar que la fluctuación y el ruido se pueden inducir en la salida del DAC y no se originan directamente en el oscilador.
Usando el análisis de FFT podemos eliminar todas las variaciones, el ruido y los tonos espurios no deseados de la salida analógica del DAC. Podríamos usar cualquier onda sinusoidal que queramos, pero dado que la fluctuación aumenta proporcionalmente con la frecuencia, nos gustaría usar una frecuencia superior a 1 kHz que es en la que nos hemos centrado hasta ahora.
El difunto Julian Dunn (una de nuestras luminarias en audio digital) propuso una señal de prueba llamada J-test (Jitter-Test) que se ha convertido en el estándar de la industria. Voy a explicarte qué es…. pero si no lo entiendes está bien. Te enseñaré lo que muestra el gráfico a pesar de todo.
La señal de prueba J es una onda cuadrada que funciona a una cuarta parte de nuestra frecuencia de muestreo de audio digital. Utilizo 48 kHz para mi prueba de fluctuación, por lo que una cuarta parte sería de 12 kHz. Ten en cuenta que dije que esta es una onda cuadrada, no una onda sinusoidal. Si alimentamos un DAC ideal con una onda cuadrada digital de 12 kHz, ¡en realidad obtenemos una onda sinusoidal pura a 12 kHz! ¿Cómo puede ser esto? Una onda cuadrada se puede descomponer en un número infinito de ondas sinusoidales que son armónicos extraños entre sí. Así que si la frecuencia primaria de la onda cuadrada es de 12 kHz, si la descomponemos con FFT, obtenemos 12 kHz, 36 kHz, 60 kHz, etc. Un DAC que ejecuta un muestreo de 48 kHz trunca todo por encima de la mitad de su frecuencia de muestreo o 24 kHz. Esto significa que el tercer armónico (36 kHz) y superiores se truncan, dejándonos solo con una onda sinusoidal: 12 kHz.
Así que sí, si limitamos una onda cuadrada, la convertimos en una onda sinusoidal pura. Para demostrar esto en un sistema real, podemos pedirle al APx555 que genere una onda cuadrada de 1 kHz y muestre su espectro usando FFT. Como ves en la Figura 7, tenemos nuestra frecuencia primaria/fundamental de 1 kHz, seguida de una secuencia de armónicos impares a 3, 5, 7 kHz, etc.
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Figura 7: Espectro de una onda cuadrada de 1 kHz.
¿Por qué usamos una onda cuadrada si todo lo que queremos es una onda sinusoidal? La razón es que al usar un valor digital fijo que representa la parte superior e inferior de una onda cuadrada, tenemos un control total sobre las muestras digitales. Podemos usar ese conocimiento eligiendo valores digitales que se puedan manipular fácilmente, a diferencia de los valores fraccionarios que representan una onda sinusoidal. A saber, una señal de prueba J incrusta una segunda onda cuadrada dentro de la primera que hace que todos los bits PCM se volteen cada tantos Hertz (250 Hz para 48 kHz).
Para mis pruebas uso una señal de prueba J de 24 bits. Esto significa que los niveles de onda cuadrada de 250 Hz corresponden al bit más derecho de la señal de 24 bits. En relación con la amplitud completa a 0 dBFS, los 250 Hz estarán a -144 dB como se muestra en la Figura 8.
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Figura 8: Espectro de la señal de prueba de fluctuación de la prueba J.
Ten en cuenta que la escala vertical es dBFS, lo que significa que estamos analizando muestras digitales, no analógicas. ¡Es por eso que el piso de ruido está a la friolera de -180 dBFS! Un DAC real tendrá dificultades para hacerlo mejor que 20 bits, por lo que al medir su salida analógica, no veremos ninguno de los picos de 250 Hz.
¿Por qué poner la onda cuadrada de 250 Hz allí si nunca la vemos en la salida del DAC real? Cuando se inventó la prueba J, fue diseñada para encontrar jitter inducido cuando se utilizaban largas tiradas de cables AES o S/PDIF. La inversion haría que todos los bits cambiaran de un valor a otro, exagerando las fuentes de fluctuación.
La mayoría de nosotros usamos USB o HDMI para el audio a través de cables cortos, por lo que la sensibilidad del cable anterior no es una preocupación para nosotros. Lo que nos preocupa es si cambiar todos esos bits dentro de un DAC hace que la salida analógica del DAC cambie a la misma melodía. En otras palabras, es posible que la actividad digital en un DAC no tan bien diseñado se descarrile en su sensible etapa analógica. La figura 9 muestra un ejemplo de tal interferencia. Tenemos nuestro tono puro de 12 kHz, como deberíamos. Pero también obtenemos un conjunto simétrico de picos que se reducen en amplitud con múltiplos impares de 250 Hz, lo que nos dice que es la onda cuadrada en la prueba J la que lo causa.
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Figura 9: Espectro de la señal de prueba j de la salida analógica del DAC que muestra una fluctuación de 250 Hz.
Si no pudiste seguir la explicación anterior está bien. Siempre que veas un gráfico de prueba J, concéntrate en todo lo que no sea el pico principal en el medio. Estos otros tonos o ruidos son NO deseados.
Linealidad
El trabajo de cada DAC de audio es convertir una muestra digital en el valor analógico correspondiente. Esto suena fácil, pero a medida que los niveles bajan cada vez más, el DAC puede tener dificultades para producir dicha precisión de voltajes analógicos. La prueba para esto se llama linealidad. Se reproduce un tono de prueba puro y se captura un voltaje analógico del DAC. Para excluir la distorsión y las respuestas espurias, un filtro muy estrecho excluye todo menos el tono de prueba. Para que el gráfico funcione, muestreamos un alto nivel (-20 dBFS en mis pruebas) y comparamos todo con eso (escalado, por supuesto). En un caso ideal, obtenemos una línea plana como es el caso del DAC8 de Okto Research en la Figura 10.
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Figura 10: Linealidad de DAC8 que muestra una respuesta casi perfecta hasta 120 dBFS (20 bits).
A la mayoría de los DAC les va bien en la prueba de linealidad, pero parece que ha habido una tendencia a volver a los llamados DAC R2R que tienden a fallar esta prueba miserablemente si no estan excepcionalmente bien implementados, como vemos en la Figura 11:
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Figura 11: Ejemplo de un DAC que muestra una linealidad muy pobre, perdiendo precisión a solo -63 dBFS o unos 10 bits.
El audio de 16 bits tiene un rango dinámico de 96 dB, por lo que como mínimo queremos ver una linealidad que sea plana/0 dB hasta al menos ese nivel.
Pruebas multitono
Una crítica incorrecta contra las mediciones de audio es que generalmente usamos un solo tono y, por lo tanto, el resultado no puede aplicarse a la música, que tiene innumerables tonos. El argumento pasa por mal de que si un DAC distorsiona un tono, también distorsionará mil. De todos modos, para hacer frente a las críticas, podemos hacer más tonos. En mi caso, ejecuto 32 tonos simultáneos a una frecuencia de muestreo de 192 kHz. Una respuesta ideal sería solo esos 32 tonos y nada más. Sin embargo, nada es perfecto, así que obtenemos muchos picos adicionales y ruido elevado cuando el DAC tiene mucha distorsión, como se ve en la Figura 12.
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Figura 12: ejemplo de un DAC con alta distorsión armónica.
A menudo llamamos "hierba" a lo que hay entre los tonos principales. Como tal, cuanto menos hierba entre los tonos, mejor. La figura 13 muestra un ejemplo de un DAC muy bien realizado.
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Figura 13: ejemplo de un DAC con muy poca distorsión armónica/intermodulación.
Distorsión de intermodulación
Siempre que usamos más de un tono de prueba, las distorsiones resultantes se llaman intermodulación. Los dos tonos interactúan entre sí en un sistema no lineal y producen tonos adicionales proporcionales a estos tonos. Lo que se muestra no es realmente diferente de la distorsión armónica, pero tiene un valor clave: podemos ver todas las distorsiones dentro de la banda audible. Con la distorsión armónica, necesitamos tener un ancho de banda más amplio para capturar los armónicos de cualquier cosa por encima de 11 kHz.
A lo largo de los años y décadas, se han promovido diferentes conjuntos de tonos para medir la intermodulación. Utilizo la versión SMPTE, que es de 60 Hz más 7 kHz. El tono de 60 Hz es útil porque algunos dispositivos tienen problemas para reproducir frecuencias más bajas (debido a la falta de capacidad de almacenar corriente de fuente de alimentación, por ejemplo). El 7 kHz es lo contrario y prueba la capacidad del DAC para reproducir frecuencias superiores a 1 kHz que normalmente son las usamos para las pruebas de audio.
La figura 14 muestra un ejemplo de un DAC (en rojo) que tiene una distorsión de intermodulación muy baja. El gráfico se divide en dos dominios: la parte en declive y la en ascenso. La prueba de intermodulación comienza con nuestros pares de señales a niveles muy bajos (-60 dBFS). Como resultado, el ruido domina la medición, como se indica por el hecho de que cuando aumentamos las fuentes de señal (menos valores de dBFS negativos), la "distorsión" medida se reduce. No es la distorsión lo que está reduciendo, sino la cantidad de ruido capturado en el detector de distorsión de intermodulación. Por cierto, el nivel de ruido se vuelve insignificante y llegamos al piso de la distorsión de intermodulación (ruido +).
A medida que seguimos aumentando la amplitud de nuestros pares de tonos IMD, algunos DAC comienzan a producir cada vez más distorsión y eso aparece en la curva IMD que invierte y vuelve a subir. En el caso del DAC en rojo, esto ocurre alrededor de -7 dBFS. Afortunadamente, este es un DAC muy bien educado y el aumento es muy leve hasta que llegamos al valor total (0 dBFS).
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Figura 14: ejemplo de buena intermodulación (roja) y no tan buena (verde/rosa).
Contraste eso con el DAC en verde/rosa, donde no solo tiene un nivel de ruido más alto (como se ve en la posición más alta de la curva en su segmento descendente), sino que tiene una distorsión que se establece en alrededor de -17 dBFS y sigue empeorando. Este DAC utiliza un amplificador de salida ("buffer") sin retroalimentación, lo que generalmente se traduce en niveles de distorsión más altos.
Después de probar innumerables DAC, surgió un patrón interesante con productos DAC que utilizan un chip DAC de ESS, que es uno de los principales proveedores de silicio. Echa un vistazo a la distorsión de intermodulación del DAC en verde en la Figura 15.
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Figura 15: ejemplo de distorsión de intermodulación a nivel medio de los DAC ESS.
Observa cómo la curva de repente comienza a subir alrededor de -45 dB, pero luego vuelve a la normalidad alrededor de -10 dB. En otras palabras, tales DAC tienen una distorsión de intermodulación inusualmente alta cuando tenemos muestras de audio digital intermedias, no máximas como suele ser el caso. Esto ocurre en tantos diseños basados en chips ESS DAC que he acuñado el término "ESS IMD hump” o joroba. La creciente distorsión aparece en la gran mayoría de los DAC que utilizan esta serie de chips ESS, pero curiosamente algunos diseños notables logran hacerlo bien, como Benchmark Design DAC3 y OPPO UDP-205.
Respuesta del filtro de reconstrucción
El teorema de muestreo exige un filtro en la salida del DAC para deshacerse de la respuesta espuria "fuera de la banda" ( en alta frecuencia). Los diseñadores de chips y sistemas DAC recurren a diferentes algoritmos para este filtro de paso bajo, ya que hay compensaciones con respecto a la rapidez con la que se filtran los datos fuera de banda y la planitud del espectro dentro de la banda. Además; hoy en día está de moda diseñar filtros que tengan ciertas características en el dominio del tiempo (por ejemplo, no sonar antes de un impulso).
Para probar la respuesta del filtro, alimentamos el ruido blanco aleatorio del DAC, que naturalmente tiene un ancho de banda infinito. La respuesta del filtro de paso bajo se vuelve obvia una vez que capturamos la salida del DAC y lo convertimos al dominio de frecuencia usando FFT. La figura 16 muestra un ejemplo de esto a medida que cambio la configuración del filtro en el DAC.
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Figura 16: ejemplo de diferentes filtros de salida DAC.
Es probable que el impacto de la audibilidad de dichos filtros sea muy bajo o inexistente, por lo que no le pongo mucho valor a esta prueba.
Prueba de onda cuadrada
Como señalé en la descripción del filtro de paso bajo en el DAC, hay interés en el uso de filtros que tengan cierta respuesta de dominio de tiempo. Para detectar este comportamiento, utilizamos una onda cuadrada, que también tiene un ancho de banda infinito (armónicos impares hasta el infinito). Filtros clásicos utilizados en los DAC "anillo" (oscilación) hacia arriba y hacia abajo antes y después de las transiciones nítidas en la señal de onda cuadrada como se ve en la Figura 17. Tenga en cuenta que una onda cuadrada (o señal de impulso utilizada como sustituto) no existe en la vida real. Nada en la naturaleza pasa de repente de 0 a un valor súper alto en una muestra. Así que ten cuidado al comprar en la línea de marketing tal o cual la respuesta del dominio del tiempo es mejor.
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Figura 17: respuesta de onda cuadrada de un DAC que muestra el timbre clásico antes y después de la transición de bajo a alto y viceversa.
Aparte de la característica del filtro, los tonos de onda cuadrada a menudo muestran otros problemas, como el recorte de la parte superior de la señal. La figura 18 muestra un ejemplo de esto.
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Figura 18: ejemplo de un DAC que recorta la parte superior de la forma de onda.
Esto no debería suceder. La causa probable son las matemáticas internas que no permiten un desbordamiento por encima de un valor digital máximo.
Resumen
Espero que a estas alturas ya tengas una mejor comprensión de cómo se puede caracterizar el rendimiento de los DACs (ya que sean independientes o sean parte de su procesador AVR o A/V). Por mucho que nos guste asumir que la tecnología DAC ha madurado, hay muchas implementaciones mediocres. El precio no parece ser un predictor del rendimiento. Hay DACs de U$S 99 que superan a los DACs de miles de dólares por un amplio margen. Busca las mediciones de los DAC para saber que tan bien diseñados están. Esfuérzate por conseguir uno con rendimiento que garantice la transparencia con respecto al ruido audible y la distorsión.
Nota: este artículo se publicó a principios de este año en la revista Widescreen Review.
Amir Majidimehr es el fundador de la empresa de audio/vídeo/integración/automatización, Madrona Digital (madronadigital.com). Antes de eso, pasó más de 30 años en las industrias de la informática y el vídeo de radiodifusión/consumidor en empresas líderes, desde Sony hasta Microsoft, siempre presionando por avanzar en el estado de la técnica en la entrega y el consumo de medios digitales. Las tecnologías desarrolladas en sus equipos se envían en miles de millones de dispositivos desde las principales consolas de juegos y teléfonos a todos los PC del mundo y son obligatorias en estándares como Blu-ray Disc. Se retiró como vicepresidente corporativo de Microsoft en 2007 para perseguir otros intereses, entre los que se encuentra un sitio dedicado a las revisiones de audio y la ciencia llamado AudioScienceReview.com.
