Mauri Eronen
Tietoa: Mitä DA-muunnin tekee?
Digitaalinen ääni joudutaan aina muuttamaan analogiseksi ennen kaiuttimia. Miten digitaaliääni muodostetaan, mitä DA-muunnoksessa tapahtuu ja miksi tällä on väliä?
Digitaali–Analogi-muunnin muuttaa nimensä mukaisesti digitaalisen tiedon analogiseksi. Analoginen signaali on olemukseltaan jatkuvaa ”aaltoliikettä”, äänen muodossa ilman paineen, ja sähköisessä muodossa jännitteen ja/tai virran vaihtelua. Vaihtelun nopeus = signaalin taajuus (Hz) ja sen taso = signaalin voimakkuus (V tai dB). Esimerkiksi kaiuttimessa vahvistimen vahvistaman sähkövirran vaihtelu liikuttaa magneettien välityksellä kaiutinelementtien kartioita ja ne edelleen ilmaa.
Digitaalisuus on tiedon käsittelyssä, tallentamisessa ja siirtämisessä käytetty numeerinen, ns. binaarilukuihin (0/1) perustuva lukujärjestelmä. Tuosta nollasta ja ykkösestä muodostuvaa yksikköä kutsutaan bitiksi. Esimerkiksi 16-bittiä tarkoittaa 16:sta 0/1-lukuparista muodostettua numerosarjaa (01001101100011011011010111100010). Digitaalinen signaali on siis tavallaan numeerinen mallinne analogisesta signaalista. Analogisesta signaalista otetaan näytteitä tietyin aikajaksoin, esimerkiksi 44100 kertaa sekunnissa. Tätä aikajaksoarvoa kutsutaan näytteenottotaajuudeksi. Jokaiselle näytteelle annettaan bittilukusarja, mikä kertoo näytteen arvon (voimakkuuden tason). Esimerkiksi 16-bittisessä järjestelmässä jokaiselle näytteelle voidaan antaa 2^16 eli 65536 arvoa. Koska kaiutinelementti liikkuu siis vain vaihtosähkön muodostaman analogisen aaltomuodon ohjaamana, täytyy digitaalinen tieto muuttaa aina biteistä analogiseksi aaltomuodoksi.
Tämä DA-muunnos on tarpeen aina, kun äänilähteenä käytetään mitä tahansa digitaalista mediaa. Yleisimpiä digitaalisen äänen lähteitä ovat CD-levyt, DVD:t, Blu-ray-elokuvat tai tietokoneen kiintolevyltä tai MP3-soittimelta toistetut tiedostot. Useimmiten muunnos tapahtuu käyttäjän sitä tiedostamatta samassa laitteessa, jolta musiikkia kuunnellaan.
Kotiteatterissa DA-muunnos tapahtuu useimmiten AV-viritinvahvistimessa, johon kuva ja ääni viedään soittimelta nykyisin HDMI-kaapelia pitkin. Erillistä DA-muunninta käyttämällä edullisenkin DVD-soittimen äänenlaatu CD-levyjä kuunnellessa usein paranee. Erilliskomponenteista valmistettu ja omalla virtalähteellä varustettu DA-muunnin myös erottaa herkän työvaiheen mahdollisesti häiriöiden vaivaamasta ympäristöstä.
Tästä on hyötyä, jos musiikkia kuunnellaan paljon tietokoneella. Tietokoneeseen liitettävällä USB-liitännällisellä DA-muuntimella voidaan toteutuksesta riippua päästä erinomaiseen lopputulokseen. Analoginen signaali (1) muutetaan digitaaliseksi AD-muuntimessa (2) (Analog To Digital). Signaalista otetaan useita näytteitä (3) näytteenottotaajuuden määräämällä suurella nopeudella, esimerkiksi 44100 kertaa sekunnissa.
Jokaiselle näytteelle annetaan signaalin voimakkuuden jännitearvon mukainen binaarilukujono (4), 16-bittisessä järjestelmässä 16 0/1-paria sisältävä lukujono. Lukujonot voidaan tallentaa (5) peräkkäin esimerkiksi CD-levylle, kovalevylle, USB-muistitikulle, kannettavan mediasoittimen muistiin tai toistaa verkosta internet-yhteyden ylitse.
Digitaalisten tallenteiden tieto muutetaan takaisin analogiseksi DA-muuntimessa (6) (eng. DAC = Digital To Analog Converter). Muunnin tuottaa ulos näytteiden binaarilukujonojen niitä vastaavan jännitearvon. Jännitearvot muodostavat aikajanalla kopion (7) alkuperäisestä signaalista. Näytteenottotaajuus eli näytteiden määrä tietyssä ajassa sekä eri binaarilukuarvojen suurin mahdollinen määrä (lukujonon pituus = bittien määrä) määräävät kuinka tarkka kopio on alkuperäisestä signaalista.
Näytteenottotaajuus ja bittisyvyys
Digitaalisen äänisignaalin luonteen ymmärtämistä helpottaa, kun tarkastelee, miten analoginen äänisignaali digitoidaan. Fysikaalinen ääni on aaltoliikettä, jonka tallentamista digitaaliseen muotoon kutsutaan AD-muunnokseksi (analog to digital).
Kun mikrofoni sieppaa ilmasta äänen, sen herkkä kalvo liikkuu ilmanpaineen vaihtelun johdosta ja muuntaa liikkeen jännitteeksi. AD-muunnin tarkkailee jännitettä säännöllisin väliajoin ja tallentaa sen suuruuden numeerisessa muodossa tietyllä tarkkuudella.
Tahtia, jolla muunnin kirjaa ylös analogisen signaalin jännitteen, kutsutaan näytteenottotaajuudeksi. Tarkkuutta, jolla jokainen näyte tallennetaan, kutsutaan bittisyvyydeksi. Nämä ovat PCM-muotoisen, pakkaamattoman digitaaliäänen perustat.
Yhden hertsin näytteenottotaajuus tarkoittaa, että signaalista poimitaan talteen yksi jännitenäyte sekunnissa. Mitä suurempi näytteenottotaajuus, sitä tarkemmin digitaalinen signaali kuvastaa alkuperäistä ääntä.
Muiden muassa ruotsalainen Harry Nyquist esitti vuonna 1928 teoreeman, jonka mukaan näytteenottotaajuuden täytyy olla kaksinkertainen alkuperäisessä signaalissa esiintyvään korkeimpaan taajuuteen nähden. Tällä tavalla alkuperäisen signaalin koko taajuusalue voidaan regeneroida uudestaan.
Ihmisen kuuloalue ulottuu noin 20 000 hertsiin, ja CD-levylle tallennetun äänen näytteenottotaajuus on 44 100 hertsiä. Nyquistin teoreeman mukaan CD-levylle tallennettu ääni siis kattaa kaikki taajuudet, joita ihminen voi kuulla – ja hieman yli. Toisaalta esimerkiksi puhelinjärjestelmissä käytetty näytteenottotaajuus voi olla vain 8 000 hertsiä, sillä ihmisen tuottama puheääni ei sisällä kovin korkeita taajuuksia. Koska toistettava taajuusalue on rajallinen, kuulostaa puhelimen läpi välitetty musiikki huonolaatuiselta.
Musiikkisignaalista pitää ennen CD-levylle tallennusta suodattaa jyrkästi pois kaikki yli 22 050 hertsin taajuudet. Jos signaali sisältää nyquistin taajuutta korkeampia taajuuksia, syntyy digitoituun signaaliin niin sanottuja aliasointivirheitä. Virhettä kuvastaa parhaiten videojärjestelmistä tuttu moire-ilmiö, kun esimerkiksi liian tiheää kuviota sisältävä paita uutistenlukijan päällä piirtyy epämääräisen aaltoilun kera. Liian korkeiden taajuuksien suodattamista kutsutaan alipäästöksi.
Tarkkuutta, jolla jokainen näyte tallennetaan, kutsutaan bittisyvyydeksi. Analoginen signaali on luonteeltaan äärettömän tarkka, koska paineenvaihtelu tai jännite on täysin portaatonta. Mitä suurempi on numeerinen asteikko, jolla signaalin eri arvoja voidaan kuvastaa, sitä lähemmäksi alkuperäistä ääniaaltoa päästään.
16-bittinen digitaaliääni tarkoittaa, että jokainen analogisesta signaalista tallennettu näyte ilmaistaan 16 bitillä. 16-bittinen digitaalisignaali voi esittää 65 536 eri numeroarvoa (216). Digitaalisessa maailmassa tieto kulkee nollina tai ykkösinä, joten analogisesta signaalista yhdellä hetkellä tallennettu näyte voisi näyttää esimerkiksi tältä: 0110 1011 0001 1011. Desimaalilukuna sama lukuarvo on 27 419.
Jotta signaalin digitoiminen olisi mahdollisimman tarkkaa, täytyy lähteen ja AD-muuntimen signaalitasojen olla keskenään yhtenevät. Jos mikrofoniesivahvistimelta saatava signaalin maksimijännite on yksi voltti, mutta AD-muuntimen ottoaste ulottuu kahteen, jää valtaosa signaalille varatusta bittisyvyydestä käyttämättä.
Ideaalisessa tilanteessa digitoitavan signaalin maksimiantojännite on siis sama kuin muuntimen yliohjautumistaso. Tällöin huipputaso tallentuu 16-bittisessä järjestelmässä arvona 1111 1111 1111 1111. Tätä kutsutaan myös 0 dBFS -tasoksi, jossa FS = Full Scale.
Vaikka äänite olisi tarkoitus tallentaa tulevaisuudessa CD-levylle 16 bitin tarkkuudella, kannattaa 24-bittistä digitointia käyttää hyväksi, jos AD-muunnin vain sellaisen tarjoaa. Tarjolla oleva dynamiikka ja liikkumavara jälkikäsittelyssä kasvavat.
DA-muunnin kertoo tukemansa signaalin enimmäisbittisyvyyden, -näytteenottotaajuuden ja muodon. Vaikka hyväksytty signaali ylittäisikin CD-levyllä käytetyn 16 bit/44,1 kHz:n muodon, saattaa signaaliketjun pullonkaula rajoittaa äänenlaatua jo muuntimessa. Parempi signaali ei tällöin tuo laadullisia parannuksia, vaikka yhteensopivuus korkeatarkkuuslähteiden kanssa onkin taattu.
Biteistä aalloksi
DA-muuntimen tehtävä on muuntaa biteiksi tallennettu informaatio jälleen analogiseksi aaltomuodoksi. Digitaalinen äänilähde syöttää muuntimelle pitkän rimpsun ykkösiä ja nollia, joista kuitenkin vain osa on varsinaista äänisignaalia. Valtaosa on metatietoa signaalin luonteesta, jotta DA-muunnin osaa käsitellä bittejä oikein.
Koska S/PDIF-signaali on reaaliaikaista, eli se ei tue datan uudelleenlähetystä ja virheenkorjausta, ovat valmistajat kehittäneet erilaisia menetelmiä ajallisten virheiden vähentämiseen. Signaali itsessään sisältää kellon, joka kertoo vastaanottimelle missä kohtaa tietovirtaa mennään, mutta järjestelmälle ominaisen aikatason epätarkkuuden vuoksi tieto ei ole täysin luotettavaa. Vastaanotin ei pysty kontrolloimaan lähettimen antamaa datavirtaa mitenkään, vaan sen täytyy ottaa vastaan tieto sitä mukaa kun se saapuu.
DA-muuntimessa on oma kellopiiri, jonka käyntiä verrataan sisääntulevaan signaaliin niin sanotussa PLL-piirissä (phase locked loop). Menetelmällä vähennetään signaalin aikatason nopeaa huojuntaa. tasoittaa signaalin nopeataajuista huojuntaa varmistaa, että sisään tulevat lukuarvot muunnetaan analogiseksi jännitteeksi oikealla vauhdilla, signaalin näytteenottotaajuuden mukaan.
Jotkin valmistajat ovat korvanneet PLL-piirin suurella muistipiirillä, johon ja josta S/PDIF-data luetaan datan nopeuteen parhaiten sopivalla, muuntimessa sijaitsevalla kellopiirillä.
Myös DA-muuntimien kyky vastustaa jitteriä vaihtelee. Samallakin digitaalisella äänilähteellä eri muuntimien suorituskyky signaalin rekonstruoinnissa eroaa selvästi. On mahdollista, että yksi muunnin pystyy siivoamaan aikatasossa sotkuisen signaalin puhtaammaksi, mutta toinen lisää siistiin ääneen omia virheitään. Vaikka digitaalimuodossa siirretyssä signaalissa olisikin jitteriä, on se vielä korjattavissa DA-muunnosvaiheessa.
Artikkeli on lyhennelmä aikaisemmin Hifimaailman numerossa 7/2011 julkaistusta artikkelista.