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Il convertitore digitale/analogico

04.05.2015..
DiDiT DAC212

Esclusiva ReMusic

 

Continua la pubblicazione in integrale di una serie di capitoli selezionati del nuovo libro di Bruno Fazzini, il Dizionario Enciclopedico dell’Audio Hi-Fi. Trovate la segnalazione dell'opera in questa News. Si tratta di un'altra esclusiva ReMusic, su amichevole concessione dello stesso autore ed editore, che qui ringraziamo ancora. Buona lettura e viva l'Hi-Fi...

 

Giuseppe Castelli

 

 

Premessa | Per rispettare le scelte progettuali dell'editore, le modalità di impaginazione e scrittura del seguente testo sono conformi allo stampato originale.


Nota | Nella foto principale, il DAC, pre e ampli cuffie DiDiT DAC212

 

Un convertitore digitale/analogico è un apparecchio che riceve in ingresso un segnale digitale sotto forma di sequenza numerica (le serie di 0 e di 1) e fornisce, in uscita, un segnale analogico a tensione variabile. Il cuore del sistema è costituito, sostanzialmente, da un circuito elettronico deputato alla trasformazione D/A e, subito dopo, da un circuito che determina un filtraggio e il livello di uscita (oltre che un certo valore d’impedenza).

 

Abbiamo visto che le serie di numeri 0 e 1 devono costituire un’onda quadra che avrà una determinata lunghezza e altezza. Ricordo che una grandezza è considerata analogica quando è costituita da una funzione continua, mentre quella digitale non è continua poiché presenta punti di discontinuità. Un sistema adottato da molti progettisti è quello della conversione Delta/Sigma.

 

Chip Delta/Sigma AKM4399 con sezione JFET (fonte: stereophile.com)

 

Chip Delta/Sigma AKM4399 con sezione JFET (fonte: stereophile.com)

 

La modulazione Sigma-Delta (ΣΔ; o Delta-Sigma, ΔΣ) è un metodo per tradurre segnali ad alta risoluzione in segnali a bassa risoluzione tramite l'uso della modulazione a densità di impulsi. Questa tecnica ha visto accrescere la propria utilizzazione in una vasta gamma di componenti elettronici moderni, come convertitori analogico-digitali, i sintetizzatori di frequenza, gli alimentatori switched, e il controllo dei motori. Uno dei primi e più diffusi utilizzi della modulazione sigma-delta è la conversione dei dati.

 

Un circuito ADC o un DAC che implementa questa tecnica può raggiungere facilmente una risoluzione molto elevata, utilizzando anche una tecnologia CMOS a basso costo, cioè la tecnologia utilizzata per produrre i circuiti integrati digitali; per questo motivo, anche se la modulazione sigma-delta fu presentata per la prima volta all'inizio degli anni sessanta, si è diffusa solo di recente, procedendo con l'affinamento delle tecnologie in silicio.

Nei convertitori monobit (lo standard DSD del SACD è ad 1 bit), si adotta un filtraggio a bassa pendenza e un elevato innalzamento della frequenza di campionamento per poi ottenere la riduzione a 1 bit. I vantaggi di questo sistema riguardano la circuitazione, che risulta essere piuttosto semplice e il DAC che lavora sempre con segnali ad alta risoluzione per qualunque segnale in ingresso.

Nella conversione multibit, invece, si opera con frequenze di campionamento più basse e con maggior numero di bit in modo da velocizzare il sistema e renderlo estremamente preciso. Un buon convertitore digitale/analogico deve avere, tra le tante caratteristiche positive, anche quella di possedere un buon sistema di filtraggio. Compito del filtro digitale è quello di eliminare alcuni range della gamma audio senza però danneggiarla, mentre il compito di quello analogico è di eliminare le “ombre” che il precedente filtraggio digitale non ha annientato. Quest’ultimo tipo di operazione, però, causa delle fastidiose rotazioni di fase che sono in gran parte le responsabili di un suono eccessivamente aspro e vetroso, tipico dei primi cd player di alcuni anni fa e molto distante dal musicale suono a cui ci aveva abituato il sistema di lettura analogico che dal dopoguerra ci ha accompagnato fino ai primi anni ottanta.

 

La sequenza numerica costituita da 0 e 1 si potrebbe considerare la “genetica” del segnale digitale


La sequenza numerica costituita da 0 e 1 si potrebbe considerare la “genetica” del segnale digitale

 

La frequenza di campionamento e la risoluzione dei DAC

La fisiologia del sistema binario, costituita dalla differenza tra un valore numerico e il successivo, abbiamo detto in precedenza che non consente di ricostruire la forma d’onda di un segnale audio in maniera continua, ma a passi discreti. I convertitori migliori sono quelli che riescono a minimizzare il più possibile questa discontinuità del segnale. I problemi più difficili che si trova di fronte un convertitore sono costituiti sia dall’ampiezza del segnale che è traducibile solo in un certo momento e sia dal fatto che è esprimibile solo in base al numero di bit.

È come se il nostro convertitore fosse un vocabolario che nel fare il suo lavoro di traduttore avesse a disposizione solo poche parole. Come superare il problema? Ampliando il linguaggio a disposizione del convertitore. Ciò è possibile innalzando la frequenza di campionamento, ossia fornendo al DAC più informazioni da parte del segnale. Dal momento che la frequenza minima di campionamento non può essere inferiore al doppio della frequenza massima da campionare (teorema del campionamento), avremo che i 44.1 kHz di cui ho parlato sono un po’ più del doppio dei 20 kHz che il nostro orecchio (se giovane e in buone condizioni) riesce a percepire. Insieme a questo si può aumentare la capacità della parola, ossia farla passare da 16 a 24 bit.

 

Schema del Teorema di Nyquist che governa le modalità di campionamento di un segnale

 

Schema del Teorema di Nyquist che governa le modalità di campionamento di un segnale (fonte: users.fmrib.ox.ac.uk)

 

Nel classico sistema PCM (Pulse Code Modulation) adottato nella scrittura dei CD a 16 bit, la profondità della parola influenza il rapporto segnale/rumore di un convertitore e, di conseguenza, la sua capacità dinamica. I convertitori a 24 bit permettono, grazie all’ampliamento del “vocabolario” che hanno a disposizione, di innalzare la loro capacità dinamica a 144 dB teorici, rispetto ai 96 dB dei convertitori a 16 bit (aumentando 1 bit di risoluzione la dinamica aumenta di 6 decibel). Alcuni modernissimi convertitori offrono prestazioni entusiasmanti, fornendo frequenze di campionamento a 384 kHz e risoluzioni a 32 bit. Con questa risoluzione il valore dinamico raggiunge i 192 dB teorici di dinamica, ma questi valori così estremi sembrano più un esercizio tecnologico che un reale beneficio apportabile all’ascolto del nostro messaggio musicale.

 

Nel classico sistema PCM (Pulse Code Modulation) adottato nella scrittura dei CD a 16 bit, la profondità della parola influenza il rapporto segnale/rumore di un convertitore e, di conseguenza, la sua capacità dinamica. I convertitori a 24 bit permettono, grazie all’ampliamento del “vocabolario” che hanno a disposizione, di innalzare la loro capacità dinamica a 144 dB teorici, rispetto ai 96 dB dei convertitori a 16 bit (aumentando 1 bit di risoluzione la dinamica aumenta di 6 decibel). Alcuni modernissimi convertitori offrono prestazioni entusiasmanti, fornendo frequenze di campionamento a 384 kHz e risoluzioni a 32 bit. Con questa risoluzione il valore dinamico raggiunge i 192 dB teorici di dinamica, ma questi valori così estremi sembrano più un esercizio tecnologico che un reale beneficio apportabile all’ascolto del nostro messaggio musicale.

 

Per la mia personale esperienza, il deciso miglioramento qualitativo è avvertibile nel passare dalla frequenza di campionamento di 44.1 kHz a quella di 96 kHz; mentre tra la frequenza di 96 kHz e quella di 192 kHz ho notato, nelle numerosissime prove test effettuate, soltanto piccole sfumature migliorative. Più di una volta mi è capitato di preferire una incisione a 44.1 kHz eseguita da un bravo tecnico, piuttosto che una a 96 kHz realizzata in maniera approssimativa. Passare, però, dai canonici 16 bit ai 24 bit fa davvero la differenza tra una buona incisione ed una incisione eccellente, ricca di una emozionante e naturale escursione dinamica, grazie alla quale il coinvolgimento di chi ascolta è certamente assicurato.

 

Il sovracampionamento operato da alcuni DAC

Un sistema attualmente seguito da molti costruttori è quello di operare una conversione elevando la frequenza, facendola passare da 44.1 kHz a 96 kHz o 192 kHz, e innalzando il numero dei bit, da 16 a 24. Prima di campionare un segnale bisogna, però, filtrarlo così da eliminare alcune frequenze indesiderate.

La prima azienda che adottò tale strategia fu la Philips, ormai diversi anni fa, passando anche alla conversione multibit. Nel sovracampionamento digitale vengono aggiunti nuovi campioni per interpolazione matematica, in maniera che fra due campioni reali se ne possano aggiungere altri virtuali calcolati come media dei due. La tecnica di sovracampionamento (oversampling) viene spesso usata nelle conversioni audio e consiste nell'usare una frequenza di campionamento superiore, in modo che un filtro digitale quasi ideale possa abbassare l'alias (distorsione da campionamento lento o sottocampionamento).

 

L’aliasing è il fenomeno per il quale due segnali analogici diversi possono diventare indistinguibili una volta campionati: questo costituisce un serio problema che si riflette direttamente sull'uscita del segnale alterandone la veridicità.

Esempio di effetto aliasing

 

Esempio di effetto aliasing (fonte: http://gregstanleyandassociates.com)


L'aliasing può verificarsi sia nel tempo (aliasing temporale) che nello spazio (aliasing spaziale), fino alla frequenza di Nyquist (la minima frequenza necessaria per campionare un segnale analogico senza perdere informazioni e per poter quindi ricostruire il segnale analogico continuo originario), mentre un filtro analogico più semplice può bloccare le frequenza superiori ad una nuova più alta frequenza di Nyquist.

L'obiettivo del sovracampionamento è quello di abbassare i requisiti del filtro anti-alias (un filtro digitale usato prima del campionamento di un segnale, per restringere la banda del segnale stesso) o ridurre l'aliasing medesimo. Sull'input si usa un filtro iniziale analogico, il segnale viene campionato ad alte frequenze, per poi venire sottocampionato utilizzando un filtro digitale quasi ideale.

Il risultato andrà nella direzione di raggiungere l’obiettivo che abbiamo detto in precedenza: fare in modo che la “seghettatura” del segnale digitale sia più smussata possibile, con tutti i benefici sonici che è facile immaginare. In sostanza maggiore è la frequenza di campionamento di un segnale e migliore sarà la sua risposta in frequenza.




Il libro

Bruno Fazzini

Dizionario Enciclopedico dell’Audio Hi-Fi

edito in proprio

formato digitale 9,99 euro euro


L'autore

Bruno Fazzini dal 1994 è stato recensore per la rivista Fedeltà del Suono, arrivando a rivestire dal 2006 il ruolo di Coordinatore di Redazione.

Attualmente dirige due riviste online: la Hi Fi Time Review e la Vintage Hi Fi Club.

Da circa dieci anni è il patron del punto vendita Sophos Hi End, specializzato in componenti di gamma alta.

Da quest’anno è anche il titolare, insieme al suo socio Massimo Piantini, della Blue Moon Audio Technology, che produce tutti gli anelli della catena d’ascolto, dai file audio ai lettori per i file, dai convertitori ai preamplificatori, dagli amplificatori finali ai sistemi per la multiamplificazione, dai grandi diffusori in array a cavi, tavolini portaelettroniche e basi antivibrazioni. Ognuno di questi prodotti vuole avere carattere fortemente innovativo in ambito audio.

 
di Bruno Fazzini
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