Home theater systeem zonder DAC?

Al een tijdje ben ik met dit idee aan het stoeien. Mijn huidige AV receiver is al een flink aantal jaren oud, en ik ben wel toe aan iets nieuws. Surround kan ie, maar DTS of Dolby Digital zijn de smaken, en alle voordelen van nieuwe formaten zoals DTS-HD Master Audio of Dolby TrueHD Zijn allemaal niet besteed aan mijn oude beestje. Nu kan ik naar de winkel shoppen, en daar een nieuwe receiver kopen, maar....

Ik vind ze allemaal te conservatief. Ik zie nog altijd hopen Line In, Component In en allemaal aansluitingen waar ik al jaren vanaf wil komen. Mediaspelers zijn digitaal, computers ook, Bluray spelers, spelcomputers, settop boxen, ga zo maar door. Allemaal digitaal. Daar komt bij dat de HDMI aansluitingen haast een "afterthought" lijken op de receiver van vandaag de dag.

Bovendien is het zo dat de gekozen componenten in de receiver niet noodzakelijkerwijs topkwaliteit is. En dat maakt uit als je opamps en DAC's bent aan het gebruiken. Zou het mogelijk zijn om dat allemaal te dumpen, en een volledig digitaal pad te maken?

Mijn eerste vondst die hier naar toe kon leiden zijn Klasse D versterkermodules met I2S ingang, zoals de TAS5760M. Deze worden voornamelijk gebruikt bij soundbars, want efficiënt, digitaal met HDMI-ARC, en makkelijk in te zetten. Deze is volledig digitaal, en omdat luidsprekers nu eenmaal analoge componenten zijn zit er een LC filtertje aan de uitgang.

Als ik zo'n module nou ga gebruiken als actieve versterker in de luidspeker zelf, heb ik het voordeel dat ik 2 kanalen heb, voor een woofer en een tweeter. Dit is gelijk aan Bi-wiring en Bi-amping. Het crossover filter kan lekker digitaal (IIR filter) en ik kan SPDIF ingangen hebben, waar ik meteen een linker en rechter luidspreker kan doorlussen, omdat SPDIF nu eenmaal stereo is.

Volgende stap is de receiver zelf. Ik heb dus SPDIF uitgangen nodig voor mijn speakers, en ook SPDIF als ingang, en natuurlijk HDMI ingangen. Op Aliexpress kun je een HDMI audio Extracter kopen, die een HDMI ingang omzet naar 4 keer I2S. Ook een 5.1 Dolby Digital SPDIF decoder is daar gewoon te koop voor tientjeswerk. Volgens mij is er geen 7.1 op SPDIF, omdat de bitrate volgens de standaard (1536 kbps?) dit niet toelaat.

Aliexpress begint mijn favoriete winkel te worden voor deze klus: Ook een HDMI switch en een ARC extracter zijn daar te koop. Alleen de radio functionaliteit wil ik erbij hebben, en een RTL-SDR moet zorgen voor FM ontvangst, alsmede ook DAB+. Een Raspberry Pi met touchscreen en Digital audio uitgang moet zorgen voor een redelijke User Interface en voila: Een eigen, volledig digitale receiver.

Waarom is zoiets niet gewoon te koop? Nou dat is er, in de vorm wan een Storm Audio ISP MK2 (geen AVR Programmer).
https://hifi.nl/gfx/20200121150514_2020-01-21_StormAudio_ISP32_MK2_Back_Angled_(750x450).jpg

Je komt dan op zoiets absurds uit. Genoeg surround preamps te vinden met gebalanceerde (analoge) uitgangen, maar geen digitale. Ook digitale actieve luidsprekers zijn er te krijgen, bijvoorbeeld een Kef LS50 met een TOSLINK aansluiting, maar helaas: Dit zijn klasse D versterker modules met een analoge ingang.
https://www.sonology.shop/image/80311-4-m/KEF+KEF+LS50+Wireless+Titanium+Red+%28pair%29+KEF-4.jpg

Zelf maken dus, en ik heb al een ontwerp voor een volledig digitale actieve luidspreker versterker. De versterkermodule zit aan de onderkant, omdat ik een koelblokje wil monteren:

Nu nog een printje maken die de Raspberry Pi al het Aliexpress spul op de juiste manier kan schakelen, en ik heb een AV receiver waar ik blij mee ben. Voor niet te veel geld, en een zelfbouwproject als toegift.

1 electron per seconde = 16 atto ampere!

Helemaal met je eens. De echte high-end versterkers zijn nog helemaal analoog omdat de audiofiel iets tegen analoog heeft en de rest is met heel veel bells and whistles maar niet per se de beste kwaliteit. Ik zoek ook al heel lang naar zoiets. Een versterker die uit 2 of 3 bronnen digitale audio kan aannemen, geen analoge ingangen, vooral GEEN DSP en andere vervormers en dan een klasse D versterker. Het PCM signaal vanuit de ingangen kan dan 1:1, in het digitale domein, verliesloos omgezet worden in de PDM modulatie van de D versterker.

Ben benieuwd hoe de "rechtgeaarde" buizengek daar bij een confrontatie op zou reageren...

Het ziet er uit als een serieus project. Mijn belangstelling zou uit gaan naar het ontwikkelen van de signaalweg, niet zo zeer naar de praktische invulling. Dus om te beginnen onderwerpen als:
- Gain structure, waar hoeveel versterken en regelen, wat blijft er over aan S/N bij verschillende levels
- Jitter
- Hoe hier zinnig aan te meten

Het geluid komt er toch ergens weer analoog uit (neem ik aan :)

Zeker een "serieus" project. Maar als je het goed doet, heb je heel weinig van doen met analoge eigenschappen, SNR enz.

Er zijn IC's die HF digitale signalen (zoals HDMI) kunnen schakelen (input select), er zijn IC's die het geluidsdeel van het HDMI signaal kunnen extracten (met een beetje geluk als I2S), daarna heb je alleen nog iets nodig wat I2S naar PDM omzet. Dat zal een ASIC of een DSP moeten zijn en dan een stukje class D eindtrap. Alleen daar zit een stukje analoog in.

Ik heb hier microcontrollertjes liggen die I2S en PDM doen, maar die zijn waarschijnlijk niet snel genoeg voor 48000/2/16. En de PDM is helaas maar 8 bits. Dus dat zal waarschijnlijk iets ASIC achtig moeten worden.

Dat begrijp ik niet.
Stel dat de uitgang 16 bits, 96 dB STN is, en er is 50 dB nodig voor headroom en volumeregeling, dan blijft maar de helft over voor het signaal op een normaal niveau. Dat is ongunstig, ongeveer grammefoonkwaliteit.

Je moet in zo een systeem het volume ook niet doen door de PCM waardes de manipuleren (of PDM), dat gaat altijd ten koste van de geluidskwaliteit. Je moet dat in het quasi-analoge domein doen, door bijvoorbeeld de voedingsspanning naar de eindtrap de moduleren.

Je hebt dan altijd de volle 16 bits (of equivalent in PDM) beschikbaar.

[Bericht gewijzigd door Erik Slagter op 5 augustus 2020 21:36:03 (13%)]

Dat is wat dat betreft een uitweg. Maar men blijft er mee zitten dat de "eindtrap" van digitale ingang tot analoge uitgang zonder terugkoppeling (!) onder alle omstandigheden enorm linear moet zijn, wat in zo een vermogensschakeling veel lastiger lijkt dan een geïntegreerde DAC die niets anders hoeft te doen.

Het kriebelde intussen in mijn achterhoofd en ik ben even in het archief geklommen; in de "Workshop klasse D versterkers" van Elektor door Bruno Putzeys in 2008 zat relatief veel over dit soort alternatieve ideeën en de bezwaren daartegen. Allicht is daar online nog wat van terug te vinden.

Verder kan ik er zelf niet zo veel over zeggen, ik heb geen praktische ervaring met het ontwikkelen van digitale audio techniek.

In principe zou het heel simpel moeten zijn. Even hardop denken. Het digitale PCM signaal wordt digitaal geconverteert naar PDM (ook digitaal). Dat zou geen probleem mogen zijn. Daarna moet het PDM signaal traditioneel versterkt gaan worden. De pulsen zullen daarbij, net als bij een traditionele versterker niet altijd precies de gewenste eamplitude hebben dus vervorming. Maar het aantal pulsen is altijd correct (in feite digitaal). Daar komt nog bij dat een klasse D versterker altijd op een veel hogere samplefrequentie werkt dan het bronsignaal (anders kan het niet werken...). Dat betekent dat iedere oorspronkelijke sample door heel wat PDM samples wordt gerepresenteerd. Dat geeft een soort van oversampling, waardoor de invloed van individuele PDM pulsen uitgemiddeld wordt. De lengte van elke PDM pulse is afgeleid van een kristal dus op zich makkelijk nauwkeurig te krijgen (mits de mosfets een beetje meewerken).

Dus wat mij betreft in theorie een heel solide systeem om een erg goede geluidskwaliteit te krijgen. Maar de praktijk?

Overigens schijnt het dat als je een hoog genoeg sample rate neemt voor de PDM (en de mosfets trekken dat), dat je dan ook nog het filter aan de uitgang kunt weglaten, omdat alle digitale vervorming en storing dan boven gehoorfrequentie plaatsvinden en de luidspreker het sowieso waarschijnlijk niet kan weergeven.