Home Geen categorie Bitstream versus lpcm

Bitstream versus lpcm

0

Wie een blu-ray speler bezit – of wellicht een game-console – zal weleens bij de geluidsopties de keuze hebben gehad tussen lpcm en bitstream. Niet iedereen zal weten wat het verschil is. En wat de voor- en nadelen van deze manier van uitsturen zijn. Wij duiken in de whitepapers en zetten het voor u op een rijtje.

Het is handig om bij complexere materie bij de basis te beginnen. Toen de cd zijn intrede deed, kwam de term pcm regelmatig naar boven. Pcm staat voor Pulse Coded Modulation. Dit is een technologie die al in de jaren ’20 van de vorige eeuw is ontwikkeld. Destijds gebruikten ze nog een mechanische a/d-converter. En dat zorgde uiteraard voor wat vervorming en problemen. Echter: het geeft aan dat de technologie al behoorlijk oud is.

Bits en samplerate

PCM omzetting
Het omzetten van een analoge golf naar PCM: Pulse Coded Modulation. (Bron: http://homepage.mac.com)

Bij pcm – vanaf nu lpcm, omdat dit een variant op pcm is – is er altijd een bitgrootte en een samplingfrequentie. De samplingfrequentie staat voor hoe vaak de a/d-converter ‘snapshots’ maakt van het analoge signaal. De bitgrootte geeft vrijheid in het dynamische bereik, omdat het aangeeft hoeveel stappen of niveaus een sample kan bevatten. Een 16 bits sample heeft bijvoorbeeld 65536 niveaus (2 tot de macht 16).

Klokken
Wat bij alle vormen van lpcm essentieel is, is een kloksignaal. Immers: de samples zijn op een bepaald moment genomen, en moeten dus ook weer op het juiste moment terug omgezet worden. Het signaal dat ervoor zorgt dat alle samples op het juiste moment weer geconverteerd worden, heet het kloksignaal

Dit kloksignaal zit niet per definitie in de digitale opname verwerkt. Echter, om het wordt wel meeverstuurd als de data wordt uitgelezen. Dit kloksignaal zit onder meer in het i2s-signaal dat bijvoorbeeld een cd-loopwerk via een controllerchip naar de dac stuurt. Indien de dac intern is, wil het nog weleens via een i2s-interface gaan. Dan blijft keurig de data en klok(ken) gescheiden. Als er een externe dac gebruikt wordt, is het vaak een spdif-signaal dat het loopwerk verlaat. Dan wordt data en klok samengevoegd in één signaal. Er zijn echter ook dacs die i2s accepteren. Dat geniet dan natuurlijk de voorkeur.

Voorbeeld van een superklok die voor ultra lage jitter zorgt. Deze zit in de Tentlabs b-DAC.

Het is erg belangrijk dat het kloksignaal stabiel is en blijft. Is dat niet het geval, dan ontstaat jitter. Jitter staat voor een afwijking in een signaal dat constant hoort te zijn. Jitter heeft als gevolg dat er amplitudefouten ontstaan in de analoge golf. Immers: de sample wordt te vroeg of te laat omgezet. En hoe hoor je dat? Eerlijk gezegd niet echt als je nooit een cd-speler of dac hebt gehoord die jitterarm is.

Platter
Jitter geeft dus amplitudefouten. Dat kan onder meer tonale tonale veranderingen meebrengen, alsmede luidheidsverschillen. Echer: om dát te horen moet de jitter toch wel behoorlijk hoog zijn. Denk aan 100 ps (100 picoseconden) of wellicht nog hoger: 200 ps. Redbook geeft aan dat jitter niet hoger mag zijn dan 100 ps, omdat er dan ook een bitfout kan optreden.

Wat wij hebben gemerkt, is dat er niet alleen tonale fouten ontstaan – als die al hoorbaar zijn -, maar ook onrust, definitieverlies en beeldvormings-‘fouten’. Een dac met aardig wat jitter (in onze opinie >40 ps), klinkt grover in het midden- en hoogfrequente gebied en weet ook vaak niet de luchtigheid te brengen van een dac met lage jitterwaarden.

Bitstreamen
U hebt nu een idee hoe het lpcm-signaal in elkaar zit en wat er belangrijk is voor het goed functioneren ervan. Bitstream werkt heel anders.

Playstation 3
Ook de Playstation 3 kan via bitstream uitsturen. En dat klinkt uitstekend!

Bij bitstreamen staat het loopwerk via de hdmi-kabel in wezen in direct contact met de receiver. De data gaat zonder bewerking door de hdmi-kabel naar de receiver die het decodeert en vervolgens omzet. Dat heeft als voordeel dat er een signaal over de hdmi-kabel gaat dat immuun is voor jitter: DTS, DTS HD (MA) en Dolby-data bestaat uit datapakketten en niet zozeer samples.

Mede doordat deze formaten ge-encodeerd zijn en dus niet ‘ruwe’ sampledata bevatten, is het gemakkelijk te transporteren door een kabel, zonder dat er verlies optreedt. Om een idee te geven: Dolby gebruik de Meridian Lossless codec bij True HD. Door samples door een codec te halen en elk datapakket van een header met sync-info te voorzien, is het veel gemakkelijker om audiodata zonder verlies en timing-problemen te transporteren. En dat is precies wat bitstreamen mogelijk maakt.

Wel een klok

bitstream via hdmi van videokaarten
Ook met de pc is het mogelijk via bitstream audio te sturen naar een receiver. De meeste videokaarten hebben nu een hdmi-uitgang die dat toelaat.

Het is niet zo dat als je gaat ‘bistreamen’ dat er geen kloksignaal meer nodig is. Er gaat nog wel degelijk een kloksignaal over de (hdmi)kabel. Dit tmds-kloksignaal (Transition Minimized Differential Signaling) heeft  echter een algmene taak om de sturende en ontvangende kant te locken op een bepaalde frequentie. Het principe van tmds is dat audio, video en overige data over dezelfde kabel gaan, ge-encodeerd volgens 8b/10b encoding, maar dat ze allemaal hun eigen periode in de datastroom krijgen: de Video Data Period, Data Island Period en de Control Period. Om te kunnen versturen met een bepaalde snelheid, moet er een algemene klok zijn die de versturende en ontvangende kant synchroon te krijgen. Maar goed, voordat we teveel in het hdmi-protocol verdwalen, gaan we verder met bistream audio.

Decoderen

Marantz 9400 blu ray
Het mooiste en gemakkelijkste blijft nog wel een toegewijde blu-ray speler. Zeker als u ook gebruik wilt maken van lpcm. De high-end spelers kunnen vaak gescheiden audio en video uitsturen. Dat heeft een voordeel bij lpcm.

Om bitstream te kunnen afspelen, moet de zowel de zendende kant als de ontvangende kant voorzien zijn van minimaal hdmi 1.3. Met hdmi 1.1 en 1.2 gaat het niet.

De ontvangende kant krijgt via de hdmi-kabel de pure bitstroom (met header-info waarin staat om wat voor data het gaat en welke codec nodig is).

Om een voorbeeld te geven van wat er in de header kan staan:

  • Syncword (voor synchronisatie)
  • CRC
  • Sampling frequentie
  • Bit stream modus en id
  • Audio coding modus

De data wordt bij bitstreamen dus niet eerst gedecodeerd door de blu-ray speler. De receiver decodeert het signaal en zet het vervolgens om naar een analoog signaal.

Hetzelfde geldt overigens ook een beetje voor usb-audio: die werkt ook op basis van datapaketten. In deze datapakketten staat in de header ook staat welke codec nodig is en daar staat ook sync-info in om de datastroom goed te laten verlopen. Echter: het klokken gebeurt iets anders. Dat is onder meer afhankelijk van de receiverchip. Echter, net als bij  bitstreamen, gaat er geen lpcm meer over de digitale kabel, maar een datasignaal, met daarin de muziek verpakt.

Het voordeel van bitstream is dat het vrijwel immuun is voor jitter. Het gaat erom hoe goed de klok is aan de ontvangende kant. Als audio tenslotte wordt omgezet van digitaal naar analoog, gaat het er om hoe goede klok is in de dac / receiver. Niet hoe goed het kloksignaal over de kabel is gegaan. Immers: deze heeft niets te maken met de samplingfrequentie van het audiosignaal, zoals eerder uitgelegd. Dat is een groot pluspunt ten opzichte van de spdif-interface of zelfs i2s.

Echter, daar zit ook een gevaar. Als de fabrikant bespaart heeft op de receiverchips, decoders en klok, klinkt ook bitstream nergens naar. Het kan zelfs zo zijn dat lpcm dan beter klinkt (wij hebben het meegemaakt). Hoewel bitstream in wezen een betere manier is om data te versturen. De kabel heeft namelijk bijna geen invloed meer op de kwaliteit. En dat is een groot voordeel.

HDMI

Pioneer BDP LX91
Een voorbeeld van een blu-ray speler die audio en video gescheiden uitstuurt om jitter te drukken.

De reden dat we dit artikel hebben geschreven, is dat er vaak keuze is tussen twee manieren van versturen: lpcm en bitstream. Wij pleiten voor bitstream. Mede ook vanwege het feit dat lpcm via hdmi voor enorme jittertoename zorgt. Dat is vooralsnog niet te voorkomen bij het gezamenlijk versturen van audio, video en nog wat andere data (onder meer control bits). Deze data gaat ook nog met een alternatief kloksignaal mee, wat niet bevorderlijk is: aan de andere zijde moet de klok weer geregenereerd worden. Het resultaat is erg hoge jitter. (Wat diverse tests al hebben bewezen). Overigens zijn er wel al spelers die apart audio en video kunnen uitsturen (Pioneer heeft een model dat dat kan (De BDP LX90 uit ons hoofd). Dat verlaagt de jitter aanzienlijk.

Wrapping up
Het mag duidelijk zijn dat bitstream behoorlijk wat voordelen heeft boven (l)pcm. Het voordeel van het versturen van pure, onbewerkte datapakketten met ingebouwde timing- en decoding-informatie boven ‘fragiele’ audiobits en -bytes die puur afhankelijk zijn van een stabiel kloksignaal, is aanzienlijk. Wij hebben het al gemerkt met usb-audio dat op een soortgelijke basis werkt. Zolang er geen datapaketten verloren gaan, is er in wezen niets aan de hand. Moet natuurlijk wel de fabrikant met een fatsoenlijke klok aankomen en een fatsoenlijke receiverchip. Dat geldt voor zowel usb-audio als bitstream audio.