Le format SACD est à la base une invention conjointe de Sony et de Philips. La firme japonaise a cependant développé elle-même ses propres technologies pour offrir au grand public des appareils capables de décoder les signaux haute résolution en DSD contenus dans les SACD. Ces technologies sont issues des convertisseurs DSD professionnels et semi-professionnels développés afin d'asseoir le nouveau standard. Des ingénieurs de renom tel que David Kawakami, chef du projet DSD chez Sony, Gus Skinas, et Edmund (Ed) Meitner, qui a fondé dans la foulée la firme EMM Labs, ont été impliqués dans ce processus.
Ces facteurs expliquent l'excellence des lecteurs de SACD deux canaux de Sony, qui étaient appelés à populariser cette nouvelle technologie. Ils méritent pour cette seule raison une petite présentation de leur fonctionnement. En outre, il semble maintenant acquis que les lecteurs SACD deux canaux Sony sont de futurs classiques.
La gamme des lecteurs SACD deux canaux Sony.
Les lecteurs purement audio à vocation haute fidélité de Sony sont traditionnellement répartis en deux gammes. La gamme QS (quality standard) et la gamme ES (extremely high standard).
Les premiers lecteurs SACD Sony appartenaient à la gamme ES : le SCD-1 et le SCD-777ES. Ces lecteurs se distinguaient tout particulièrement par leur mécanique originale, à chargement par le dessus, et leur construction extrêmement soignée. Une déclinaison plus abordable avec une mécanique classique les a rapidement suivi : le SCD-555ES.
Préalablement au lancement du SCD-555ES, Sony avait lancé un modèle moins onéreux : le SCD-XB940QS, qui a formé à lui seul la gamme QS.
En dépit de cette répartition en deux gammes bien distinctes, on peut se rendre compte, en prenant connaissance des schémas ci-dessous, que les quatre modèles présentent un certain nombre de points communs.
Reprenons dans le détail les différents constituants de ces lecteurs, en procédant à leur regroupement en trois étapes successives : lecture et décodage des signaux numériques, traitement du signal, étages analogiques.
La lecture et le décodage des signaux numériques.
Un disque SACD est physiquement analogue à un disque DVD. Il peut comporter deux couches superposées. A la différence du DVD, une des deux couches peut contenir un matériel de type CD Audio. On parle alors de disque hybride. Un lecteur de SACD est capable de lire tant un SACD qu'un CD. La lecture des CD est faite suivant un processus propre à ce support et celle des SACD est une lecture de type DVD.
La lecture d'un disque SACD et celle d'un disque CD sont réalisées par des lasers de longueurs d'onde différentes, soit respectivement 650 nm et 780 nm. C'est pourquoi les lecteurs SACD ont deux diodes lasers, chacune étant adaptée à la lecture d'un type de disques. Dans le SCD-1 et le SCD-777ES, il y a en fait deux têtes de lectures distinctes avec leurs propres optiques, une pour les CD, l'autre pour les SACD. Sur les plus petits modèles, l'optique est unique et le basculement d'un faisceau laser à l'autre est effectué au moyen d'un prisme.
Double têtes de lecture laser KHS-180 :
La mécanique du SCD-1 et du SCD-777ES est sensiblement différente de celle du SCD-555ES et de celle du SCD-XB940QS. Les premiers utilisent une mécanique exclusive dérivée de celle du lecteur de CD CDP-XA7ES: ce ne sont pas les têtes de lecture qui se déplacent, mais l'axe rotatif du disque. Les têtes de lecture, elles, sont fixes. Cette solution a été adoptée pour supprimer la servo-correction associée à une tête de lecture mobile, qui est une source de bruit susceptible de perturber le très faible signal électrique généré par la diode laser. La mécanique du SCD-555ES et celle du SCD-XB940QS sont d'un type classique, avec une mise en rotation du disque et une tête de lecture placée sur un chariot mobile. Dans tous ces lecteurs, un processeur numérique contrôle le mouvement des parties mobiles et la mise au point de l'optique afin d'assurer la plus grande précision d'extraction possible.
Les signaux générés par les diodes lasers sont amplifiés avant d'être envoyés vers un processeur de signaux, qui a pour fonction d'extraire le signal d'horloge, de synchroniser les signaux de données, de les démoduler et de corriger les erreurs de lecture.
A partir de ces signaux, le décodeur DSD va intervenir pour lire le filigrane anti-copie contenu dans les disques SACD, les sub-codes de la table d'allocation et, grâce à une importante mémoire tampon, désentrelacer les signaux gauche/droite.
Le traitement du signal numérique.
Les principaux fondeurs de puces que sont Texas Instruments (Burr-Brown), Cirrus Logic (Crystal), Wolfson Microelectronics et AKM offrent essentiellement dans leur catalogue des circuits intégrés « tout en un » qui effectuent dans un même boîtier l'ensemble des opérations de traitement et de conversion du signal, qui incluent le filtre numérique, la mise en forme du bruit numérique et le filtre passe-bas. L'utilisation de composants externes plus performants ou spécialisés dans tel ou tel type de tâches (par exemple un filtre numérique séparé) est faite sur l'initiative du client.
Pour ses lecteurs de SACD deux canaux, Sony est partie d'une toute autre philosophie. Les différentes étapes du traitement du signal sont délocalisées dans plusieurs grands circuits intégrés (Large Scale Integrated, LSI) qui forment ensembles (avec l'étage analogique) un système pensé de façon globale. Mais ce n'est pas tout. Sony a choisi d'améliorer son concept en doublant cette division « verticale » du travail par une division « horizontale » en multipliant les convertisseurs. Ces derniers sont au nombre de huit, soit quatre par canal, gérés en mode différentiel, et qui travaillent en parallèle afin d'améliorer le rapport signal/bruit.
Le premier circuit intégré est le CXD9762AQ dans les lecteurs de gamme ES et le CXD9556 dans le SCD-XB940QS. Ces circuits intégrés portent respectivement la désignation « VC24» et « VC24 Plus », ce qui est trompeur car ils réunissent en fait deux fonctions très différentes. Ils s'agit d'une part du filtre numérique VC24 proprement dit suivi d'un modulateur Delta-Sigma et d'autre part du système ACP. Le CXD9556 « VC24 Plus » unit en outre à ces deux fonctions la conversion numérique/analogique et le générateur de signal d'horloge.
VC24
Le VC24 est un filtre numérique 24 bits à coefficient variable. Il agit uniquement sur les signaux PCM issus des CD. Il permet à l'utilisateur de choisir entre cinq modes de filtrage.
Il existe essentiellement deux types de filtres numériques : les filtres à atténuation dure et les filtres à atténuation douce. Les filtres à atténuation dure coupent le spectre du signal de façon très raide au-delà de 20kHz de façon à conserver la réponse en fréquence la plus plate possible dans la bande audio. En contrepartie, la réponse sur impulsion est polluée par des pré et des post-oscillations. Les filtres à pente douce permettent de résorber ces oscillations au prix d'une atténuation plus ou moins importante dans la bande audio.
- caracteristiquedestypesdefiltres.jpg (31.59 Kio) Vu 11371 fois
Avec son filtre a coefficient variable, Sony permet à l'utilisateur de choisir lui-même son mode de filtrage en fonction de ses priorités. Le filtre numérique agit essentiellement au-delà de la bande audio et il n'est pas dit qu'il produise des effets audibles suivant les maillons en aval.
Les coefficient du filtre vont de 16 à 27 bits (+/- 2 bits). Plusieurs modes de sur-échantillonnage sont disponibles: direct à 176,4 kHz ou 352,8 kHz ou indirect à 176,4 kHz (2x2x44,1 kHz) ou 352,8 kHz (2x2x2x44,1 kHz) selon le filtre sélectionné. Pour réduire le bruit de quantification dans la bande audio (20 Hz - 20 kHz) introduit par le sur-échantillonnage, Sony met en oeuvre une architecture de type Full Feed-Forward consistant à envoyer un signal de correction d'erreur identique au signal audio mais en opposition entre chaque étage de sur-échantillonnage*.
Le filtre standard est un filtre à atténuation dure. La pente du filtre est raide afin de supprimer le plus de bruit ultrasonique au-dessus de 22.05 kHz. C'est la méthode classique de filtrage des signaux PCM. Le sur-échantillonnage à 352,8 kHz est réalisé en trois étapes sur un total de 225 ordres (171+35+19). Selon Sony, l'atténuation des parasites dus à l'échantillonnage au-delà de la bande passante du filtre est de 128 dB.
Les quatre autres filtres sont à atténuation douce.
Le filtre 1 (désigné "Clair") applique un mode d'interpolation doux qui consiste à sur-échantillonner le signal directement à 352.8 kHz en une seule fois.
Le filtre 2 (désigné "Uniforme") permet de maximiser la longueur des mots numériques et de l'adapter au modulateur delta-sigma, afin de supprimer les non-linéarités et le bruit de quantification. Le suréchantillonnage est effectué directement à 352,8 kHz.
Le filtre 3 (désigné "Fin") est un nouveau type de traitement sur 224 ordres sur des nombres paires qui n'altèrent pas les échantillons originaux durant une phase de sur-échantillonnage direct à 352,8 kHz. L'atténuation des parasites dus à l'échantillonnage obtenue avec ce filtre est de 80 dB au-delà de 26 kHz.
Enfin, le filtre 4 (désigné "Onctueux") étend les fonctionnalités de la position 2 en augmentant la computation des mots numériques de quatre bits, en procédant à un filtrage d'ordre deux fois plus élevé et en utilisant des échantillons paires.
- lescinqfiltresdisponibles.jpg (29.13 Kio) Vu 11376 fois
Le filtre VC24 opère ses calculs à la cadence de 22,5792 MHz. L'accumulateur de sortie du filtre a une capacité de 50 bits (voire plus, selon certains documents promotionnels de Sony) afin d'éviter d'avoir à tronquer les résultats de calcul intermédiaires du filtre (ce qui ajoute du bruit de quantification) à mesure que ces résultats s'accumulent avant leur passage à l'étage suivant. Les résultats sont tronqués à 24 bits, format du signal de sortie, une fois les calculs terminés et que les résultats sont transférés vers le modulateur delta-sigma. Les erreurs de troncature sont alors probablement réduites grâce à l'adjonction d'un bruit préformé (dither), comme sur un précédent filtre numérique Sony (1).
Par rapport aux possibilités affichées du VC24, il semble qu'un plus grand nombre de filtres aurait pu être offert à l'utilisateur. Les lecteurs de CD Sony dotés du plus ancien CXD8595 VC22 permettaient d'ailleurs de choisir entre sept positions différentes**.
Modulateur delta-sigma
Les CD contiennent une modulation numérique de type MIC (Modulation par impulsions codées, ou PCM : Pulse Code Modulation en anglais). Cette modulation numérique est convertie en une autre, de type delta-sigma (ou sigma-delta) après l'étape du filtrage numérique. La conversion de ce type de modulation est en effet plus performante à moindre coût que la conversion directe d'une modulation de type MIC.
Après l'étage du filtre numérique, le signal passe ainsi par un étage d'interpolation, puis par un modulateur delta-sigma (ou sigma-delta ou mise en forme du bruit numérique, Noise Shaper en anglais). Ce modulateur est vraisemblablement de type MASH (multi-stage noiseshaping, une architecture qui consiste à chaîner plusieurs modulateurs 1 bit élémentaires), car il produit une modulation delta-sigma typique, à plusieurs niveaux, en l’occurrence codée sur 4 bits. Le signal de sortie est à 64 fois la fréquence d'échantillonnage d'un CD, soit 2.8224 Mhz, comme le DSD.
ACP
Le sytème Accurate Complementary Pulse Density Modulation, ou ACP, est localisé dans le même circuit intégré que le filtre VC24. Le VC24 et les circuits ultérieures ne concernent que les signaux PCM issus d'un CD. L'ACP ne s'occupe que des signaux DSD lus sur les SACD. Le but de l'ACP est de contribuer à réduire la distorsion d'amplitude qui affecte les signaux numériques à très haute fréquence.
Un signal numérique parfait, 0 ou 1, aurait l'allure d'un rectangle ou d'un créneau.
Cependant, à une fréquence aussi haute que celle des signaux DSD, obtenir un signal aussi propre est illusoire. Le front du signal montant et le signal descendant sont altérés par le temps de montée et de stabilisation des circuits qui se traduisent par des verticales inclinées et par des oscillations. C'est la distorsion de commutation.
En pratique, cette forme de distorsion est particulièrement insidieuse parce qu'elle est répartie de façon aléatoire en fonction du contenu du signal. Comme elle n'apparaît qu'à un changement d'état du signal, on peut observer une suite de plusieurs 1 ou une suite de plusieurs 0 sans trace de cette distorsion. Cette dernière ne sera visible qu'au début et à la fin de la suite. A l'inverse, lorsque des 0 et des 1 se succèdent alternativement, la distorsion de commutation sera présente à chaque changement d'état. La répartition aléatoire de cette distorsion rend sa suppression très difficile. C'est une source d'erreurs d'amplitude des signaux numériques.
Les ingénieurs de Sony ont donc imaginé une solution élégante pour réduire les effets de cette distorsion. Le système ACP modifie le codage des 1 et des 0 afin que les premiers aient l'allure d'un 1 suivi d'un court 0 et inversement que les 0 prennent l'allure d'un court 1 suivi d'un long 0.
La distorsion de commutation est ainsi présente sur chaque donnée et est de ce fait répartie uniformément sur tout le signal, ce qui facilite sa suppression dans les étages ultérieurs.
La conversion numérique-analogique.
La modulation numérique delta-sigma est converti par la puce S-TACT (ou VC24 Plus) en un signal analogique à commutation de type PWM (Pulse Width Modulation, modulation par largeur d'impulsion), fréquemment rencontrée dans les amplificateurs de puissance en classe D***.
S-TACT
Le concept Synchronous Time Accuracy Controller (S-TACT) mis en œuvre dans les lecteurs de gamme ES a pour but de réduire la distorsion liée aux erreurs de temps. Dans un convertisseur classique, les circuits à très haute fréquence (Filtre numérique, modulateur delta-sigma) cohabitent avec des circuits analogiques et surtout le générateur de signal d'horloge. Ce dernier est alors exposé aux parasites haute fréquence à travers les lignes d'alimentation. Ce bruit issu du travail de circuits à très haute fréquence introduit des décalages de synchronisation des signaux numériques égaux à l'amplitude du bruit : c'est le fameux jitter. Pour lutter contre ce jitter le concept S-TACT apporte deux réponses complémentaires.
D'une part, la puce S-TACT isole le générateur de signal d'horloge des circuits à très haute fréquence les plus bruyants, qui sont situés physiquement dans une autre puce. Il s'agit de la CXD8594Q dans le SCD-1 et le SCD-777ES et de la CXD9521Q dans le SCD-555ES.
D'autre part, les impulsions PWM sont générées numériquement (la largeur des impulsions et modulée par le nombre binaire en entrée) dans le convertisseur S-TACT, puis à nouveau reformées par un étage tampon de sortie. Afin d'améliorer la précision temporelle des fronts des signaux en sortie de convertisseur et ainsi réduire le jitter, l'étage tampon de sortie est commandé directement par le générateur de signal d'horloge et tous les circuits en amont sont numériquement synchronisés sur cette horloge (3). L'efficacité du système est améliorée par l'emploi d'une horloge de référence de précision, soit une horloge à quartz et composants discrets avec étage tampon séparé dans le SCD-555ES, soit un oscillateur monolithique avec étage tampon dans la puce S-TACT du SCD-1 et du SCD-777ES. De cette façon, la précision d'horloge maximale est obtenue sur les signaux en sortie de convertisseur, là où le jitter est susceptible de produire les effets les plus néfastes.
Les convertisseurs ont quatre sorties, deux par canal (soit un total de huit sorties dans un lecteur de CD/SA-CD) en mode double-différentiel. Ce mode fonctionne de la façon suivant. Lorsqu'une sortie d'une des paires de convertisseurs produit une impulsion passant de l'état 0 à l'état 1, l'autre sortie passe inversement de 1 à 0. Ainsi, lorsque la première sortie génère l'impulsion, elle draine le courant de l'alimentation, tandis que l'autre convertisseur cesse simultanément l'impulsion précédente et ne draine plus aucun courant. De la sorte, une même paire de convertisseurs consomme toujours un courant identique quelque soit l'état des sorties des convertisseurs. La constance de la consommation de courant sur les lignes d'alimentations des convertisseurs réduit leurs perturbations.
Afin d'augmenter les performances dans le domaine analogique (notamment le rapport signal sur bruit), le signal issu de la puce S-TACT (ou de la puce VC24 Plus) fait l'objet d'un traitement particulièrement soigné.
Le traitement du signal analogique.
Current Pulse
Le rôle des puces CXA8042AS Current Pulse est d'améliorer la réjection des bruits et parasites provenant de l'alimentation (2). Le convertisseur numérique/analogique S-TACT dans les lecteurs de gamme ES ou VC24 Plus dans le XB940QS génèrent des impulsions en tension. Le convertisseur CXA8042AS convertit ces signaux en tension en impulsion en courant. Pour ce faire, le convertisseur Current Pulse abrite une source de courant à débit constant qui est commutée d'une sortie à l'autre par les signaux en tension provenant du convertisseur. Ces puces maintiennent le traitement symétrique du signal analogique jusqu'à leurs sorties, où les signaux sont une première fois sommés deux à deux. D'après Sony, les puces Current Pulse sont capables de maintenir un rapport signal/bruit d'au moins 120 dB.
La dernière étape avant filtrage des impulsions consiste à réaliser une conversion courant/tension des signaux. Pendant cette étape, les signaux sont encore traités en mode symétrique. Ils sont ensuite sommés par un amplificateur dédiés.
Filtrage passe-bas des impulsions
Un filtre passe-bas actif réalisé à partir d'amplificateurs opérationnels assure la conversion des impulsions en signal audio.
Dans les lecteurs de gamme ES, le filtre a une architecture particulière, de type General Impedance Circuit (GIC), plus communément désigné Generalized Immitance Converter. D'après Sony, cette architecture maintient les composants actifs, ainsi que les condensateurs hors du trajet direct du signal. D'un point de vue plus technique, ce type de filtre a l'avantage d'avoir de bonnes performances en terme de distorsion et de bruit par rapport à un filtre Sallen-Key plus classique, tel qu'on peut en trouver dans le SCD-XB940QS. Il est donc particulièrement adapté à l'audio (4).
Étages de sortie
Les lecteurs de la gamme ES sont dotés d'un étage tampon de sortie afin de compenser l'impédance de sortie intrinsèquement assez élevée d'un filtre de type GIC et assurer un couplage optimal avec le préamplificateur de la chaîne hifi. Dans le SCD-XB940QS, les amplificateurs opérationnels du filtre actif attaquent directement la sortie.
L'ensemble de ces concepts et de ces technologies sont parties intégrantes de l'ingénierie de la conversion numérique/analogique. Le filtre passe-bas, notamment, a été développé pour assurer la réponse en fréquence et en phase la plus parfaite possible pour exploiter les potentialités du signal DSD. Le soin tout particulier porté aux circuits contribue à faire de ces lecteurs SACD Sony bicanaux des sources de haute qualité.
Si vous avez des remarques ou si vous souhaitez que je corrige des anomalies ou des omissions, n'hésitez pas à me faire signe.
Notes :
*Des documents promotionnels de Sony relatifs à des lecteurs de CD équipé de précédents processeurs de calcul numérique mettant en œuvre des filtres numériques de type Full Feedforward affirmaient que le bruit de quantification introduit dans la bande audio par ce type de filtres était repoussé à -280 dB dans le domaine numérique.
**Le circuit intégré CXD8762 VC24 n'est pas nouveau (Voir infra dans la filière, à partir de la page 10). Il a été monté pour la première fois dans le lecteur de CD professionnel CDP-MS1 de 1998, ainsi que dans le lecteur de salon CDP-XA55ES de la même année. En outre, on le retrouve par la suite dans le lecteur de Minidisc MDS-JA555ES (1999). De la même manière, le circuit CXD9556 VC24 Plus aurait été monté dans le lecteur de Minidisc MDS-JA333ES (2000).
Cette utilisation apparemment anachronique d'un circuit capable de traiter des signaux DSD s'explique sans doute par des considérations économiques. Le coût de développement probablement élevé d'un grand circuit intégré très performant dédié à une fonction spécialisée serait mieux amorti si ce circuit était monté dans un grand nombre d'appareils.
Les puces VC24 montées dans les différents lecteurs qui ont précédé ou brièvement cohabité avec les lecteurs SACD Sony de gamme ES sont-elles identiques ? Plusieurs désignations de cette puce circulent : CXD8762, CXD8762Q, CXD8762AQ (celle-ci dans les lecteurs SACD). Manifestement issues du même projet, ces différentes versions recouvrent peut-être des aménagements. Il faut toufefois souligner que même la puce CXD8762Q monté dans le MDS-JA555ES dispose du circuit dédié au DSD; ce circuit est tout simplement inutilisé; il en va probablement de même de la puce montée dans les autres appareils équipés du filtre numérique VC24.
La description des filtres numériques du lecteur de CD professionnel CDP-MS1 permettrait d'en connaître un peu plus sur les différents filtres numériques du VC24. Cependant, cet appareil n'a que quatre filtres sélectionnables au lieu de cinq. Il semblent que ces filtres ne tirent eux non plus pas entièrement partie des possibilités affichées du circuit VC24. Voici les caractéristiques des quatre filtres du MS1, selon le site japonais cdp101 :
- Standard : applique un sur-échantillonnage à 352,8 kHz en trois étapes, chacune d'entre elles s'effectuant respectivement sur 171, 35 et 19 ordres.
- N°1 ("Clair") : applique une fonction Spline, avec 111 ordres et un coefficient de 16 bits.
- N°2 ("Uniforme") : sur-échantillonnage direct à 352.8 kHz, avec filtrage sur 25 ordres et un coefficient de 5 bits.
- N°3 ("Fin") : ibidem lecteur SACD.
***Il est possible que le signal en DSD soit conservé tel quel. Un bricoleur américain qui fait son commerce de modifier les lecteurs SA-CD Sony a en effet observer que le flux numérique qui sort de la puce S-TACT lors de la lecture d'un SA-CD peut directement être filtré en passe-bas pour obtenir du son, alors que la même chose n'est pas vrai lors de la lecture d'un CD. Cette observation laisse penser que le convertisseur S-TACT ne traite pas de la même façon le signal DSD et le signal delta-sigma obtenu à partir du signal PCM codé sur les CD.
Références :
1. Digital electronics: more CD players, D/A processors, transports, and a first look at the Sony Minidisc system, Compact disc player Sony CDP-X707ES, Peter Aczel, David A. Rich, The Audio Critic n°21, p 50.
2. Catching up on analog and digital electronics for stereo, Compact disc player Sony CDP-XA7ES, Peter Aczel, The Audio Critic n°23, p. 24.
3. The Sony High Density Linear Converter, Eric Kingdon, Electronics Today International, octobre 1990, volume 19, n° 10, p. 48.
4. A low noise, low distortion design for antialiasing and anti-imaging filters, Rick Downs, Burr Brown Application Bulletin.
Sources :
- One Line-Up, document promotionnel de lancement de la série "1" (lecteur de SA-CD SCD-1, préamplificateur TA-E1, amplificateur de puissance TA-N1, enceinte acoustique SS-M9ED avec super-tweeter SS-TW100ED.
- SCD-1 and SCD-777ES Super Audio CD/CD Players, document Sony, 1999
- SCD-1/777ES Service manual imprimé au Japon en août 1998.
- SCD-1/777ES Service manual supplement-1 imprimé au Japon en décembre 1999.
- SCD-XB940 Service manual imprimé au Japon en avril 2000.
- SCD-XB940 Service manual supplement-1 imprimé au Japon en mai 2000.
- SCD-555ES Service manual imprimé au Japon en octobre 2000.
