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.
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 filtre numérique: 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.
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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.
Le coefficient du filtre peut varier 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 introduit par le sur-échantillonnage, Sony met en oeuvre, dans les modes indirects, une architecture de type Full Feed-Forward consistant à renvoyer un signal de correction d'erreur identique au signal audio mais en opposition entre chaque étage de suréchantillonnage.
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 suréchantillonnage à 352,8 kHz est réalisé en trois étapes sur un total de 225 ordres (171+35+19). Selon Sony, l'atténuation du bruit de quantification 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 du bruit de quantification 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.
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L'accumulateur de sortie du filtre VC24 a une capacité de 50 bits et les calculs sont opérés à la cadence de 22,5792 MHz. Les résultats sont tronqués à 24 bits, format du signal. Les erreurs de troncature sont 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*.
Après l'étage du filtre numérique, le signal passe par l'étage d'interpolation puis par celui de mise en forme du bruit numérique (Noise Shaper), ou modulateur delta-sigma. Ce modulateur est vraissemblablement de type MASH (multi-stage noiseshaping, une architecture qui consiste à chaîner plusieurs modulateurs 1 bit élémentaires), car il produit une modulation delta-sigma multiniveau 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. Comme le VC24 ne concerne 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.
S-TACT
Le concept Synchronous Time Accuracy Controller (S-TACT) mis en oeuvre 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 isole le générateur de signal d'horloge des circuits à très haute fréquence, 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. L'efficacité du système est améliorée par l'emploi d'une horloge de référence de précision, soit une horloge en composants discrets avec étage tampon séparé dans le SCD-555ES, soit une horloge monolithique avec étage tampon dans la puce S-TACT du SCD-1 et du SCD-777ES.
Current Pulse
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 Current Pulse convertit ces signaux en tension en impulsion en courant avec pour objectif la suppression de la distorsion de commutation. Pour ce faire, le convertisseur Current Pulse abrite une source de courant constant. Les quatre sorties sont additionnées deux à deux afin de créer une sortie différentielle unique avant d'être envoyés vers l'étage suivant.
Le rôle des puces CXA8042AS est également d'améliorer la réjection des bruits provenant de l'alimentation. (2) 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, les signaux différentiels étant ensuite sommés.
Les circuits analogiques
Le circuit analogique est essentiellement un filtre passe-bas actif réalisé à partir d'amplificateurs opérationnels. Il assure la conversion des impulsions en signal audio.
Dans les lecteurs de gamme ES, toutefois, 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 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 ; il est donc particulièrement adapté à l'audio (3).
Les lecteurs de la gamme ES sont également 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.
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.
Note :
*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.
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. A low noise, low distortion design for antialiasing and anti-imaging filters, Rick Downs, Burr Brown Application Bulletin.
