FAQ sur le suréchantillonnage

[nidsee]

Oui, un souhait : puisque tu parles d'une implémentation commerciale du delta-sigma en 1 bit sous la forme du Bitstream de Philips, pourrais-tu faire la même chose avec du delta-sigma multibit, le MASH de Matsushita/Technics (en tant que technique de conversion) et le DSD-Wide de Sony (en tant que format)?

J'avais cru comprendre que Gbo ne souhaitait pas rentrer dans les détails des ordres supérieurs de noise shaping or c'est justement dans cette catégorie que rentre le MASH (Multi stAge noise SHaping).
Je ne sais pas s'il va le faire même. Sinon voici un lien qui présente en gros comment cela marche: http://www.holmea.demon.co.uk/Frac2/Mash.htm

[GBo]

Oui, un souhait : puisque tu parles d'une implémentation commerciale du delta-sigma en 1 bit sous la forme du Bitstream de Philips, pourrais-tu faire la même chose avec du delta-sigma multibit, le MASH de Matsushita/Technics (en tant que technique de conversion)

Salut Scytales,
Quelques mots sur le MASH alors: cela signifie Multi-stAge noise SHaping, cela caractérise une topologie particulière de noise shaping dite aussi en "cascade". Inventée par un certain Hayashi de NTT (dans les années 80).
L'intérêt de cette topologie d'ordre supérieur, c'est qu'elle évite les inconvénients des topologies de noise shaping d'ordre supérieur classique, puisque c'est une cascade de modulateurs du premier ordre, lequels sont appréciés parce que stables sans précautions particulières. Dans une architecture MASH, de ce que j'ai glané ici ou là, le premier étage de modulation alimente un second étage qui tente de corriger les "erreurs" du premier, idem pour le 3ième vis à vis du 2nd, etc...
Coté convertisseurs A/N, pour que ça marche bien, cette architecture met hélas des contraintes fortes sur les composants électroniques qui constituent l'ADC.
Coté convertisseurs N/A, l'objet du thread, cela se passe en numérique, pas de souci de composants donc mais de ce que je comprends de mes lectures, l'addition numérique des flux de "correction" avec le flux du premier étage n'est plus codable sur un bit, on met donc les contraintes sur la précision multibit du composant de la conversion finale.

Scytales aurais-tu une data sheet d'un converto D/A MASH que l'on regarde ensemble?

et le DSD-Wide de Sony (en tant que format)

Je voulais me limiter dans ce thread à ce qui se passe lorsqu'on part d'un flux 16/44.1 (donc dans un lecteur CD ou DAC séparé), et non coté ADC (ADC = convertisseurs A/D, où là le noise shaping est encore plus intéressant puisqu'on part de l'analogique et non de mots déjà quantifiés en 16 bits).
Aurais tu des exemples d'utilisation de DSD-wide dans un contexte de lecture CD? sinon on peut en parler sur un autre thread.

cdlt,
GBo

[Scytales]

Malheureusement, je n'ai pas trouvé de documentation sur un convertisseur existant utilisant cette technique MASH.

Dans ce papier, on voit cependant en page 12 un synopsis de ce que cela peut être :

http://www.tc.umn.edu/~erick205/Papers/3011Paper.pdf

On en parle aussi dans ce document à partir de la page 7 :

http://www.en.polyu.edu.hk/~enyhchan/ce_asp.pdf

Je souçonne les convertisseurs les plus récents de Sony d'utiliser cette technique (schémas notionnels issus du manuel de maintenance du SCD-555ES joints), mais impossible de trouver une documentation technique sur ces puces.

Je vais essayer sur le site de Matsushita, mais je ne promets rien, car j'ai déjà essayé par le passé de trouver une doc intéressante, mais sans succès.

Pour le DSD-Wide, je n'ai jamais entendu parlé d'une application dans un lecteur de CD. Ce sera donc pour une autre filière !

[kobtar_bale]

Merci GBo pour tes nouvelles contributions !

Une petite question : tu dit plus haut qu'avec le 1bit, on sort du PCM. Mais est-ce qu'on est déjà rentré dans de PWM ?

Cdlt,

KB

[GBo]

Malheureusement, je n'ai pas trouvé de documentation sur un convertisseur existant utilisant cette technique MASH.
Dans ce papier, on voit cependant en page 12 un synopsis de ce que cela peut être :
http://www.tc.umn.edu/~erick205/Papers/3011Paper.pdf

Ok, je n'avais pas lu cette partie.
Ce que l'on voit c'est que le noise shaper MASH présenté est une cascade d'un modulateur de 1er ordre avec un modulateur de 2ième ordre. C'est une variante du MASH original puisque la topologie MASH classique que j'ai vu présentée sur des documents et bouquins techniques sur le delta sigma (pas spécifiquement audio) est elle constituée d'une cascade de modulateurs qui sont tous du 1er ordre. Donc l'équivalent en "pur" MASH d'un 3ième ordre serait une cascade de 3 modulateurs. La philo est de toute façon la même puisqu'il s'agit de construire un noise shaper d'ordre elevé à partir de modulateurs d'ordres faibles intrinsèquement plus stables.
J'essaierai d'avoir des d'infos au boulot où j'ai accès à plus de documentation, notamment IEEE.

Ce que l'on constate également sur le doc en lien, c'est que le noise shaping delta sigma que l'on vient de voir est suivi d'un étage PWM. Il n'y a pas assez de détails pour être sûr du pourquoi du comment, mais si c'est bien une conversion PWM qui faite, dans le domaine numérique, j'imagine que c'est une façon de résoudre l'aspect intrinsèquement multibit de la sortie du noise shaper sigma delta MASH. En effet après conversion PWM, on n'a à faire qu'à deux niveaux, et il n'y a pas de problème de liénarité de DAC multibit à résoudre.

On en parle aussi dans ce document à partir de la page 7 :
http://www.en.polyu.edu.hk/~enyhchan/ce_asp.pdf

Ca ne s'ouvre pas en ce moment.

Pour le DSD-Wide, je n'ai jamais entendu parlé d'une application dans un lecteur de CD. Ce sera donc pour une autre filière !

Merci de ta compréhension

cdlt,
GBo

[GBo]

Merci GBo pour tes nouvelles contributions !

Une petite question : tu dit plus haut qu'avec le 1bit, on sort du PCM. Mais est-ce qu'on est déjà rentré dans de PWM ?

Cdlt,

KB

Tu veux dire que j'ai dit qu'avec du PCM 16 bits @ fs = 44.1 KS/s on sort du 1 bit (suite à une modulation sigma-delta).
Le signal musical est ensuite extrait (démodulé est le terme exact) par filtrage passe-bas de ce signal à deux états qui bagotte très rapidement (on a vu l'exemple du Bitstream Philips @ 192*fs).
L'utilisation du sigma delta est dictée par le souhait d'avoir un signal sur un nombre d'état le plus petit possible (ici M=1 bit donc 2 états) pour éviter à avoir à utiliser un DAC convertissant mot par mot (de 16 bits ou plus), ce qui engendre une grande difficulté de réalisation chez les fabricants de circuits si l'on veut une bonne linéarité y compris aux petits signaux.
Le sigma delta a pour proprieté naturelle de produire un bruit très bas dans la bande utile pourvu que le facteur d'oversampling soit suffisamment important, je parle de plusieurs dizaine.
Ce bruit est encore plus bas dans la bande utile (et plus grand ailleurs...) si l'"ordre" du noise shaper est grand.

Je n'ai pas insisté là-dessus mais on peut bien sûr faire aussi du sigma delta sur M bits en audio, avec M plus grand que 1 et plus petit que 16 bits, et obtenir de très bon résultats.

Concernant l'utilisation de la modulation PWM dans certains designs: si j'en crois mon interprétation du doc donné Emmanuel et Scytales, le PWM est utilisé lors d'un étage final de conversion, ce qui évite d'avoir un DAC multibit malgré un noise shaper sigma delta de type MASH, mais c'est particulier à un certain choix d'architecture, rien d'indispensable.

N'hésite pas à reformuler ta question si je l'ai mal comprise.

cdlt,
GBo

[kobtar_bale]

N'hésite pas à reformuler ta question si je l'ai mal comprise.

A la relecture, je me rend compte que j'ai pas été très clair.

En fait, dans ma tête :

Multibit = PCM (codage d'impulsion)

One Bit = PWM (largeur d'impulsion)

C'est le cas, ou bien le PWM est un autre type de codage One bit ?

Cdlt,

[GBo]

C'est un autre type, tu as bien fait de poser la question.
Récapitulons:

- Le 16 bits issu directement d'un CD est du PCM en effet, l'amplitude est directement codée par un mot de 16 bits (valeur numérique discrète proportionnelle à l'amplitude).

- le 1 bit du dernier étage numérique d'un lecteur CD de type Bitstream, juste avant la conversion analogique et le filtrage analogique de démodulation, c'est le résultat de la modulation sigma-delta.
Le sigma delta 1 bit est une modulation de la famille PDM (Pulse Density Modulation), elle est bien distincte de la modulation PWM (Pulse Width modulation).

De plus, la modulation sigma delta peut donner du multibit M-bit si on conçoit le modulateur à cet effet, avec M > 1 et << 16 bits en audio, avec l'avantage de nécessiter moins d'oversampling que du 1 bit pour des performances de résolution équivalentes ou supérieures à du vrai 16 bits.


Regardons de plus près les différences entre PDM et PWM, elles sautent aux yeux:

=> Famille PDM: codage du signal par la densité (numérique) du nombre de 1 versus le nombre de 0. Voir mon exemple plus haut ou j'ai codé +9 avec une densité bien supérieure de +10 que de -10, +7 etc... Revoici un sinus:


=> Famille PWM: là ce sont des créneaux (analogiques) qui codent le signal, leur largeur (width en anglais) est proportionnelle à l'amplitude du signal à un moment donné.
Voilà en rose un sinus (le même) codé cette fois en PWM:

La démodulation (c'est à dire le fait de retrouver le signal, ici le sinus) s'effectue aussi par un filtre passe-bas.
Mais à part ça, comme on le voit les différences entre PDM et PWM sont fondamentales:
Le PDM, à chaque coup de clock (par exemple à 192*fs bps) doit décider d'une valeur à 1 ou à 0 suivant l'algo que l'on a vu, le moyennage (filtrage) permettra de retrouver le signal.

Le PWM, à chaque période de la porteuse (en la supposant de fréquence fixe), code lui entièrement l'amplitude du signal sur la largeur (non discrète*) de la partie "duty" du cycle (voir schéma ci-dessous), amplitude mesurée au moment de l'échantillonnage. Le filtrage va se débarrasser de la porteuse et des produits de modulations indésirables.


cdlt,
GBo

(*) La largeur peut prendre des valeurs discrètes dans un système ou le PWM a été produit numériquement, cela va de soit

[kobtar_bale]

Pt1 , ya plein de trucs que je comprend d'un coup , y compris les amplis en classe D.

Ca pour un post qu'il a du rendement, c'est un post qu'il a du rendement !

[palm]

Je me suis souvent demandé pourquoi le PWM (produit numeriquement) n'etait pas plus utilisé comme convertisseur DA.
As-tu une idee?
Les contraintes pour une meme qualité sont-elles superieures?
Intuitivement on remplace la precision en amplitude par la resolution temporelle, il faut une haute frequence. D'autant plus qu'afin de faciliter le filtrage on ne peut utiliser de duty cycle proche de 0 ou 100%.

[GBo]

Je me suis souvent demandé pourquoi le PWM (produit numeriquement) n'etait pas plus utilisé comme convertisseur DA.
As-tu une idee?
Les contraintes pour une meme qualité sont-elles superieures?
Intuitivement on remplace la precision en amplitude par la resolution temporelle, il faut une haute frequence. D'autant plus qu'afin de faciliter le filtrage on ne peut utiliser de duty cycle proche de 0 ou 100%.

Pour coder du PCM 16 bits en équivalent PWM, pour bien faire il faut 2^16 différentes largeurs possibles (65536) de la partie "duty". A 44.1 KSamples/secondes, cela nécéssiterait une résolution temporelle de (1/44100)/2^16, cela fait 0.364 ns ...
Mais le PWM ne marche pas avec une porteuse à 44100 Hz, il faut environ 10 fois cette fréquence minimum pour minimiser suffisamment les distorsions dans la bande utile (on peut démontrer tout ça mathématiquement).
En outre, le "bon" PWM est du type NPWM (= Natural PWM), qui n'est pas dans la logique de l'échantillonnage à période fixe du PCM (regarder les intersections du signal avec la dent de scie dans le modèle analogique classique du PWM: le moment d'échantillonnage n'est pas régulier sur l'axe des temps, il dépend de l'amplitude du signal!)
=> à partir du PCM, si on veut convertir en PWM il faut donc des calculs en temps réel pour se ramener du mieux possible à du NPWM.
Ces solutions "force brute" mettent la pression ET sur la résolution temporelle de l'électronique ET sur la puissance de calcul, à des fréquences vraiment conséquentes, cela commence à faire beaucoup de difficultés. Ceci dit il y a des astuces.

[GBo]

NB: j'ai lu d'autres articles sur le MASH, il y en effet des cascades de modulateurs d'ordre 1 ou d'ordre 2, mais jamais au-dessus, pour les raisons que j'ai évoquées.

Pas d'autres questions sur le noise shaping tant qu'on est chaud là dessus?

[nidsee]

NB: j'ai lu d'autres articles sur le MASH, il y en effet des cascades de modulateurs d'ordre 1 ou d'ordre 2, mais jamais au-dessus, pour les raisons que j'ai évoquées.

Pas d'autres questions sur le noise shaping tant qu'on est chaud là dessus?

On reste en PCM ou on peut avoir un avant goût du noise shaping en DSD ?
Je sais que c'est un peu hors sujet mais obtenir un rapport S/B de 100dB dans la bande audio à partir d'un signal 1-bit (pour un max théorique de 6dB) même de 2.82MHz doit necessiter un gros boulot de noise shaping assez sympa à étudier

Sinon, dans le principe du Noise shaping on doit injecter un bruit.
Comment définit-on les caractéristiques de ce bruit ?

[GBo]

On reste en PCM ou on peut avoir un avant goût du noise shaping en DSD ?
Je sais que c'est un peu hors sujet mais obtenir un rapport S/B de 100dB dans la bande audio à partir d'un signal 1-bit (pour un max théorique de 6dB) même de 2.82MHz doit necessiter un gros boulot de noise shaping assez sympa à étudier

Le max théorique de 6 dB pour 1 bit, c'est la théorie pour du PCM pur. En ADC Sigma Delta, je donne la formule théorique sur ce post:
http://www.homecinema-fr.com/forum/view ... #170277985
(elle est optimiste, mais il n'y a pas de formule juste à ma connaissance)
En bref, le triple secret du DSD, c'est la modulation delta sigma, le suréchantillonnage d'un taux important et un modulateur d'ordre élevé (5 minimum).
Attention le sens du mot suréchantillonnage n'est pas le même que dans ce thread: pour les ADC (converto A->D) cela signifie le rapport entre la fréquence d'échantillonnage réelle (2.8224 MHz pour le DSD) et la fréquence "utile" fois 2.
Ce n'est pas que cela me gène de parler du SACD, mais il y a déjà plein de threads ouverts là dessus, autant continuer sur ces threads.

Sinon, dans le principe du Noise shaping on doit injecter un bruit.
Comment définit-on les caractéristiques de ce bruit ?

Le dithering dans le noise shaping de conversion PCM->S-D 1-bit d'un lecteur CD "1-bit"? pour ma part j'en ai une idée mais un peu trop vague, il faudra que je me documente avant de tenter une réponse sur le "comment" .

[nidsee]

Ce n'est pas que cela me gène de parler du SACD, mais il y a déjà plein de threads ouverts là dessus, autant continuer sur ces threads.

C'était juste pour savoir s'ils utilisaient des techniques particulières de noise-shaping sur ce type de signal. Dans la mesure où un "DSD-Wide" avait été évoqué...
Comme j'ai dit si c'est trop hors sujet, on laisse tomber