Connaître l’audio : tout dépend du DAC

Notre voyage à travers le monde de la technologie audio nous a fait passer pas à pas de vos oreilles à un système Hi-Fi domestique typique. Nous avons vu les haut-parleurs et l’amplificateur, il est maintenant temps de jeter un œil à ce qui alimente cet amplificateur.

Ici, nous rencontrons le premier composant numérique de notre voyage vers l’extérieur de l’oreille, le convertisseur numérique-analogique, ou DAC. Ce circuit, que vous trouverez sous forme de circuit intégré, prend les informations numériques et les transforme en tension analogique requise par l’amplificateur.

Il existe de nombreuses normes pour l’audio numérique, mais dans ce contexte, celle utilisée par le CD est la plus courante. Les CD échantillonnent l’audio à 44,1 kHz 16 bits, c’est-à-dire qu’ils expriment le niveau sous forme de nombre 16 bits 44 100 fois par seconde pour chacun des canaux stéréo. Il existe une norme électrique appelée i2s pour communiquer ces données, composée d’une ligne de données série, d’une ligne d’horloge et d’une ligne LRclock qui indique si les données actuelles sont destinées au canal gauche ou droit. Nous avons couvert les i2 en détail en 2019, et si vous regardez presque n’importe quel produit audio numérique grand public, vous le trouverez quelque part.

Faire un DAC est facile. Faire un bon DAC, pas tellement.

Le convertisseur Philips I2C vers parallèle.
Le convertisseur Philips i2s vers parallèle.

En rappelant que i2s est une technologie de la fin des années 1970, c’est une technologie étonnamment simple pour créer un DAC. Le document de spécification original de Philips contient un circuit utilisant des registres à décalage et des verrous pour capturer les échantillons, qui peuvent être acheminés vers une simple échelle de résistances et un filtre pour effectuer la conversion. C’est un moyen efficace de passer du numérique à l’analogique, mais comme pour chaque composant audio, il comporte un niveau de distorsion.

Si vous regardez la sortie de n’importe quel DAC dans le domaine fréquentiel plutôt que dans le domaine temporel, vous trouverez du bruit ainsi que le spectre du signal qu’il traite. Par exemple, la fréquence d’échantillonnage sera présente, de même qu’une multitude de produits mélangeurs parasites dérivés de celle-ci et du signal. Dans un DAC audio, tout ce bruit hors bande peut se manifester sous forme de distorsion.

Le problème rencontré par les concepteurs de DAC audio est que la fréquence d’échantillonnage est relativement proche de la fréquence du signal. Ainsi, même si le filtre passe-bas fait de son mieux pour supprimer le spectre incriminé, il a un travail difficile. À titre d’exemple, en 2020, nous avons examiné le badge CampZone 2020, un terrain de jeu audio qui utilisait un DAC très bon marché pour réduire les coûts. Le DAC Shenzhen Titan TM8211 i2s est une implémentation monopuce de quelque chose proche de ce circuit DAC Philips, et bien qu’il bénéficie d’un prix incroyablement bas, le bruit est clairement audible sur sa sortie d’une manière qu’il ne serait pas sur un plus puce chère.

Déplacer le problème vers le haut pour un meilleur son

Une paire de puces Philips TDA1541 sur un circuit imprimé
Le Philips TDA1541 était l’archétype du DAC de suréchantillonnage de la fin des années 80 et des années 90. Cjp24, CC BY-SA 3.0 .

La solution trouvée par les concepteurs de DAC des années 1980 et 1990 était de déplacer ce bruit hors bande vers le haut en fréquence de sorte qu’il puisse être rejeté plus efficacement par le filtre. Si vous vous souvenez des lecteurs de CD d’il y a des années, avec « suréchantillonnage », « Bitstream » ou « DAC 1 bit », ceux-ci faisaient référence au développement de conceptions de DAC plus avancées qui effectuaient le décalage vers le haut de la fréquence de bruit hors bande par différents technique. À l’époque, il s’agissait d’une guerre de marketing très disputée entre les fabricants, car un lecteur de CD était considéré comme un appareil haut de gamme, à partir d’une position trois décennies plus tard où un CD est quelque chose qui doit être expliqué aux enfants qui n’en ont jamais vu.

Tous sont essentiellement des DAC sigma-delta, et ils abordent le problème du déplacement du bruit hors bande vers le haut en produisant des chaînes d’impulsions à un multiple élevé de l’horloge d’échantillonnage où le nombre d’impulsions correspond à la valeur de l’échantillon en cours. converti. En échantillonnant avec une résolution inférieure, mais beaucoup plus rapide, le bruit hors bande associé est déplacé beaucoup plus haut dans la gamme de fréquences, ce qui facilite grandement la tâche de le séparer du signal. Il peut être décodé en un signal analogique au moyen d’un filtre passe-bas assez simple. Ce sont les DAC « Bitstream » et « 1 bit » annoncés sur ces lecteurs de CD des années 1990, et ce qui était autrefois la pointe de la technologie audio est maintenant monnaie courante.

Un bon DAC ne peut pas compenser une mauvaise source

Bien qu’un bon DAC contribue énormément à la qualité audio, nous avons supposé que les données numériques proviennent d’une source sans trop de compression, comme un CD. Les CD ne sont désormais plus courants et les données sont beaucoup plus susceptibles de provenir d’une source compressée telle qu’un fichier MP3 ou un service de streaming audio. La compression est un sujet en soi, mais il convient de souligner que la qualité de l’audio exprimé sur le flux de données reflète les caractéristiques de l’algorithme de compression utilisé, et quelle que soit la qualité du DAC, il ne peut pas compenser la qualité de sa source.

Cette série reviendra pour son prochain opus, où nous aborderons les inquiétudes des amateurs de vinyle et de cassettes qui criaient à l’hypothèse qu’il y aurait un DAC dans la chaîne du signal. Alors que les formats audio analogiques autrefois dominants tels que le disque LP et la cassette peuvent désormais représenter une fraction du marché qu’ils avaient autrefois, leur redécouverte ces dernières années a conduit à une légère résurgence de leur popularité. Il n’est toujours pas rare qu’un système audio haut de gamme ait des composants source analogiques, ils valent donc le détour.