Unser MU1 Music Player wird von der Kritik für seine Klangqualität gelobt. Viele Leute fragen uns, wie ein Gerät, das nur über digitale Ein- und Ausgänge verfügt, die Klangqualität so sehr verbessern kann. Deshalb haben wir beschlossen, diesen Erklärungstext zu schreiben.
Das Herzstück des MU1 ist ein so genannter ‘FPGA’-Prozessor. Dabei handelt es sich nicht um ein magisches Element, sondern lediglich um einen sehr leistungsstarken Rechner, der sich gut für die Audioverarbeitung, z.B. für Filter, eignet. Immer, wenn Audio von einer Abtastrate in eine andere hoch- oder herunterkonvertiert wird, ist ein Filter erforderlich, um Frequenzen zu entfernen, die über der Hälfte der niedrigsten Abtastrate der beiden liegen, was als ‘Nyquist-Frequenz’ bezeichnet wird. Die Up- und Downsampling-Filter des MU1 haben eine extreme Auflösung in allen Dimensionen. Wir haben herausgefunden, dass eine solche Präzision erforderlich ist, um mikrodynamische Details von einfachen CD-Tracks ebenso wie von unverfälschten DSD-Dateien wiederherzustellen.
Diejenigen von uns, die sich an die ersten digitalen CD-Aufnahmen erinnern, können sich vielleicht noch gut an den Nervenkitzel erinnern, den das Fehlen von Rauschen und Verzerrungen mit sich brachte. Würde die Audiowiedergabe “perfekt” werden, wie es die Messungen vermuten ließen? Als wir uns alle an die verbesserten Aspekte der Klangqualität gewöhnt hatten, wurde klar, dass die Perfektion noch nicht erreicht war. Die digitale Technik schien einen ganz eigenen Klang zu haben, der oft als rau, ermüdend und uninteressant beschrieben wurde. Das hat die Mitglieder des Grimm Audio Teams von Anfang an fasziniert. Woran lag es, dass dieses scheinbar perfekte System nicht perfekt klang?
Wir haben gelernt, dass der Maskierungseffekt von analogem Rauschen einen gewissen Einfluss hat. Es scheint, dass, wenn der Schleier entfernt wird, das, was darunter liegt, nicht immer unberührtes Gold ist. Doch aus irgendeinem Grund schienen die kleinen Mengen an Verzerrungen, die durch die digitale Wiedergabekette hinzugefügt wurden, einen angenehmen Klang mehr zu beeinträchtigen als die meisten analogen Abweichungen. Dies erforderte eine lebenslange Suche nach den Ursachen.
Ein Hinweis war, dass Digitalwandler zu einem großen Teil analog sind. In einem DA-Wandler sind die Stromversorgungen und die Ausgangsschaltungen eindeutig analog. Aber auch die letzte Stufe der Umwandlung innerhalb des DA-Chips, in der digitale Bits in Spannungen umgewandelt werden, ist eher analog als digital. Diese Endstufe an der Grenze zwischen digital und analog scheint einer der empfindlichsten ‘analogen’ Teile des gesamten Audiosystems zu sein. Das Rauschen in der Stromversorgung muss sehr gering sein, um zu gewährleisten, dass die Amplitude des Ausgangssignals wie vorgesehen ist. Aber noch wichtiger ist, dass das Timing des Umwandlungsmoments von digital zu analog äußerst präzise sein muss. Eine Abweichung im Timing des “Taktgebers”, der diesen Prozess durchführt, wird Jitter genannt. Wie sich herausstellte, ist ein extrem niedriger Jitter für digitale Audiosysteme erforderlich, um Rauheit, Detailarmut und Unschärfe im Stereobild zu vermeiden. Wenn Sie sich vergegenwärtigen, dass diese hohen Anforderungen an die Leistung in einer Umgebung bestehen, in der nahegelegene Schaltkreise mit hoher Geschwindigkeit schalten, wird klar, dass die Entwicklung von gemischt digitalen und analogen Schaltkreisen viel anspruchsvoller ist als die von rein analogen Audioschaltkreisen.
Ein zweiter Anhaltspunkt wurde im digitalen Bereich gefunden. Wir erkannten, dass der für eine ‘perfekte’ Audiowiedergabe erforderliche extrem niedrige Takt-Jitter auch eine extreme Rechengenauigkeit für die digitale Signalverarbeitung voraussetzt. Es lässt sich zeigen, dass die ‘Quantisierung’ digitaler Signale nicht nur Grenzen für das Grundrauschen setzt, sondern auch die zeitliche Präzision von Signalen beeinflusst. Das bedeutet, dass immer dann, wenn ein Prozess mit unzureichender Rechenleistung durchgeführt wird, ein Amplitudenfehler entsteht, der die Klangqualität in ähnlicher Weise beeinträchtigt wie Jitter. Dies wird in der untenstehenden Abbildung veranschaulicht. Oben links wird ein analoges Signal (in blau) von einem AD mit einem ‘perfekten’ Takt erfasst. Das Diagramm unten links zeigt, was mit dem reproduzierten Signal (in rot) passiert, wenn der DA-Wandler einen Jitter-Takt hat, bei dem nicht alle Abtastmomente rechtzeitig ausgespielt werden. Die rechte Seite des Bildes zeigt, dass das gleiche Problem auftritt, wenn der AD-Wandler einen jittery Takt hat und der DA-Wandler einen ‘perfekten’ Takt. Wie die Abbildung zeigt, führen diese Timing-Fehler zu einem Amplitudenfehler. Aber natürlich gilt auch das Umgekehrte: Ein Amplitudenfehler kann als Timing-Fehler angesehen werden (die Amplitude ist aufgrund des Fehlers falsch, aber sie wäre zu einem etwas anderen Zeitpunkt richtig gewesen). Jitter- und Amplitudenfehler haben also eine ähnliche Auswirkung auf die Wellenform, obwohl sie einen völlig anderen Ursprung haben.
Da fast alle DA-Wandler mit einer anderen internen Abtastrate und Bittiefe arbeiten als das ursprüngliche Audioformat (z.B. 44.1/16 für CD), müssen digitale Signale vom ursprünglichen Format in das ‘native’ Format des eigentlichen DA-Elements konvertiert werden. Dieser Umwandlungsprozess wird als Oversampling bezeichnet. Er beinhaltet einen phasenlinearen Filter, der das Audioband beibehält, aber seine Überschall-‘Spiegel’ entfernt. Alle Konverterchips enthalten solche Filter. Unsere Untersuchung hat ergeben, dass diese Filter eine Gefahr für die Klangqualität darstellen, wenn die ‘Verarbeitungsleistung’ nicht ausreicht, um den Filter und seine Requantisierung mit der erforderlichen Präzision zu berechnen. So wird die Filterung in der Regel in mehreren vereinfachten, kaskadierten Schritten ausgeführt, was zu einem Verlust von Details in der Audioqualität führt. Um diese Einschränkungen zu vermeiden, haben wir große Anstrengungen unternommen, um selbst eine ‘perfekte’ Filterung zu entwickeln. Die erforderliche Verarbeitungsleistung erforderte eine leistungsstarke FPGA-basierte Hardware. Die Filterung erfolgt in einer einzigen Stufe, ohne Kompromisse bei den Extremen, die für den Signaldatenpfad, die Auflösung der Filterkoeffizienten und die Filterlänge erforderlich sind.
Im MU1 hilft diese Technologie, die Fehler in den Oversampling-Filtern nachgeschalteter DA-Wandler zu reduzieren, indem deren erster, rechenintensivster interner Oversampling-Schritt durch einen extrem hochpräzisen Schritt im MU1 ersetzt wird. Darüber hinaus sorgt der Low-Jitter-Takt des MU1 für ein extrem jitterarmes AES- oder S/PDIF-Ausgangssignal, das die Timing-Genauigkeit eines jeden Locked Converters verbessert.
Die klanglichen Verbesserungen lassen sich wohl am besten als “wiedergewonnene Auflösung” beschreiben. Die Abwesenheit von digitaler Härte führt zu einem flüssigen, analog anmutenden Klang, bei dem sich die Klangbühne öffnet, an Tiefe gewinnt und Details zu einem natürlichen Teil der gesamten Szene werden. Standardformate erscheinen in einem völlig neuen Licht und zeigen eine Qualität, die früher nur hochauflösenden Aufnahmen zugeschrieben wurde, während hochauflösende Dateiformate besser klingen als je zuvor. Die Leistung scheint endlich mit der Qualität übereinzustimmen, die sich aus den Messwerten und den mathematischen Gesetzen der digitalen Abtastung ergibt, wie sie von Harry Nyquist 1928 aufgestellt wurden. Wir nennen es daher “Pure Nyquist”.
