Noise Shaping wie funktioniert das?

Ich versuche das mal in wenigen Sätzen zu erklären.

1. Oversampling: Es werden auf der Zeitachse Zwischenwerte berechnet. Der Sony mag dafür eine interne Rechengenaugikeit von 45 Bit verwenden. Das ist der 32 Bit oder 64 Bit Genauigkeit vergleichbar, die ein PC üblicherweise benutzt.

2. Quantisierungsrauschen: Bei der jeder Begrenzung der Auflösung (also Übergang von hoher Auflösung wie z.B. 16 Bit auf 8 Bit) entsteht Quantisierungsrauschen. Dieses ist im Normalfall "weiß", d.h. konstant über die Frequenz.

3. Noiseshaping: Das Quantisierungsrauschen aus 2) kann eingefärbt/geformt werden. Dabei kann dem Rauschen (in Grenzen) jede beliebige spektrale Form gegeben werden. Noiseshaper haben dabei eine sogenannte "Ordnung". Je höher die Ordnung, desto stärker lässt sich das Rauschspektrum formen.
Beispiel 1: Sony Super-Bit-Mapping (SBM) CDs schieben das Rauschen in weniger empfindliche Bereiche des Gehörs, ohne Oversampling.
Beispiel 2: Sämtliche sogenannte 1-Bit, Bitstream oder Pulse Wandler nutzen sehr hohes Oversampling und schieben das Rauschen dann in den unhörbaren Hochfrequenzbereich.

4. Konkret zu Sony: Ich meine die Sony-Wandler waren Wandler mit 7 Pulsbreiten (etwa 3 Bit) und 64-fachem Oversampling, d.h. es entsteht ein recht starkes Quantisierungsrauschen (45 Bit intern > 3 Bit Pulsbreite), das dann mit einem Noiseshaper höherer Ordnung geformt wird.

5. Implementierung / Code:

// Ohne NoiseShaping
int32 x_in;
int32 x_out = ((int32)x_in / 256) * 256; // Reduktion der Auflösung um 8 Bit

// Mit NoiseShaping, es wird der vorherige Rundungsfehler mit einem Faktor rückgeführt
int32 x_in;
int32 x_out, x_preout;
int32 error_t1;
float f1; // Konstante für die Rauschformung
while (bla) {
x_preout = (int32)(x_in - f1*error_t1);
x_out = (x_preout / 256) * 256; // Reduktion der Auflösung um 8 Bit
error_t1 = x_out - x_preout;
}

/ Mit NoiseShaping 2. Ordnung, es werden die 2 vorherigen Rundungsfehler mit einem Faktor rückgeführt
int32 x_in;
int32 x_out, x_preout;
int32 error_t1, error_t2;
float f1, f2; // Konstanten für die Rauschformung
while (bla) {
x_preout = (int32)(x_in - f1*error_t1 - f2*error_t2);
x_out = (x_preout / 256) * 256; // Reduktion der Auflösung um 8 Bit
error_t2 = error_t1;
error_t1 = x_out - x_preout;
}

Die Ordnung lässt sich weiter erhöhen. Es kommt aber zu Seiteneffekten je höher die Ordnung gebracht wird.

@Buschel, vorab einmal Danke für die Antwort.

Ich verstehe das der je Sample Wert die Sample Höhe um die doppelten bits erhöht um dann den Error (das ist der Rundungsfehler in der Rechnung selbst wegen dem float) dann wieder abzieht und durch die Umwandlung nach 16bit die Genauigkeit besser ist.
Punkt 2) Da verstehe ich das f1 (irgend ein Wert) mit dem Error rekursiv in das Siganl zurück gekoppelt wird. Aha

Das muss ich mir erst durch mein kleines Hirn durchsickern lassen aber es ist schon ca. klar was die da machen. Sie schieben das rauschen eigentlich in die Fehler Korrektur hinein. Habe ich das richtig verstanden?

Punkt 3) ist eine Infinite Funktion die wird praktisch nie fertig und korrigiert sich auf Ewig immer selbst. Wenn man das noch weiter spinnt kommt es zum Perfekten Signal - das ja eigentlich erwünscht aber unmöglich ist.

Danke das ist eine Super Antwort ich muss mir das nochmal zum Verständnis durch kauen. Bin leider kein Mathematiker!

Soweit ich es begriffen habe, existieren keine "Treppen"
in einem digitalen Audio-Signal, weil der Strompuls,
der den Dac verlässt, sehr kurz ist.
Ein Strom/Spannungswandler/Tiefpassfilter verbindet
diese Pulse zum Audiosignal-nicht gradlinig sondern kurvenförmig.

Wieso eigentlich? Denn beim bei klassischen R2R
reicht dazu -extrem vereinfacht gesagt-
ein Widerstand mit Kondensator als Tiefpass...?

@weakbit, nimm dir ein wenig Zeit das Thema zu durchdringen und auch weiter im Netz zu suchen. Es gibt zu NoiseShaping jede Menge Material und auch Schaubilder.

Punkt 3) ist eine Infinite Funktion die wird praktisch nie fertig und korrigiert sich auf Ewig immer selbst. Wenn man das noch weiter spinnt kommt es zum Perfekten Signal - das ja eigentlich erwünscht aber unmöglich ist.

Wahrscheinlich verwirrt dich das Hin- und Herrechnen mit /256 und *256. Man kann das viel einfacher an einem Beispiel durchgehen. Nimm an du hast die konstante Zahl 0,3. Diese geht jetzt in eine Quantisierung mit NoiseShaper 1. Ordnung. Der Quantisierer kann nur -1, 0 und +1 ausgeben.

Runde 1: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 - 0.0 -> x_out = 0 -> error = -0.4
Runde 2: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.4 -> x_out = 0 -> error = -0.8
Runde 3: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.8 -> x_out = 1 -> error = -0.2
Runde 4: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.2 -> x_out = 0 -> error = -0.6
Runde 5: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.6 -> x_out = 1 -> error = 0.0

usw. Es ergibt sich daraus eine Folge von x_out -> 0 0 1 0 1 ..., die im Mittel den Sollwert 0.4 erreicht und dabei wild herumzappelt. In diesem "Gezappel" steckt das spektral geformte Rauschen. Die Rückführung des Fehlers merzt diesen im Mittel aus.

Soweit ich es begriffen habe, existieren keine "Treppen" in einem digitalen Audio-Signal, weil der Strompuls, der den Dac verlässt, sehr kurz ist. Ein Strom/Spannungswandler/Tiefpassfilter verbindet diese Pulse zum Audiosignal-nicht gradlinig sondern kurvenförmig.

Das stimmt so nicht ganz, und wahrscheinlich vermischt du hier verschiedene Dinge. Ja, in einem natürlichen Audiosignal gibt es keine Treppen. Aber gerade R2R Wandler geben erst einmal Treppen aus, weil sie aus dem mathematischen Signal mit unendlichen schmalen Pulsen wieder ein kontinuierliches Signal machen müssen. Wichtig ist, dass dieses treppenartige Signal noch analog gefiltert werden muss, weil die Treppen eigentlich nur durch ungewollte Frequenzanteile (sogenannten Aliasing) entstehen. Wenn die entfernt werden, wird das Signal wieder "glatt".
Bitstromwandler (Pulse, 1Bit, ...) haben -- vereinfacht gesprochen -- nur den Wert 0 und 1 und schalten diese in unterschiedlicher Dauer und hoher Geschwindigkeit an und aus. Das ist eine Art Dichtemodulation und keine Treppe mehr. Nach einem analogen Filter sieht das wieder so aus wie bei einem R2R DAC.

Buschel (Beitrag #5) schrieb:

Wahrscheinlich verwirrt dich das Hin- und Herrechnen mit /256 und *256.

Da hast du Recht ich stelle mir vor das es sich um eine Format Wandlung handelt. Wie '>>8' (shift right 8*) und dann '<<8' (shift left 8*)
Ich komme da aber auch auf kein Formatwandel den das Ergebnis ist das selbe wie am Ausgang Das verstehe ich nicht.

Man kann das viel einfacher an einem Beispiel durchgehen. Nimm an du hast die konstante Zahl 0,3. Diese geht jetzt in eine Quantisierung mit NoiseShaper 1. Ordnung. Der Quantisierer kann nur -1, 0 und +1 ausgeben. Runde 1: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 - 0.0 -> x_out = 0 -> error = -0.4 Runde 2: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.4 -> x_out = 0 -> error = -0.8 Runde 3: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.8 -> x_out = 1 -> error = -0.2 Runde 4: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.2 -> x_out = 0 -> error = -0.6 Runde 5: x_in = 0.4 -> x_preout = 0.4 + 0.6 -> x_out = 1 -> error = 0.0 usw. Es ergibt sich daraus eine Folge von x_out -> 0 0 1 0 1 ..., die im Mittel den Sollwert 0.4 erreicht und dabei wild herumzappelt. In diesem "Gezappel" steckt das spektral geformte Rauschen. Die Rückführung des Fehlers merzt diesen im Mittel aus.

Das schaut aus wie ein 'Bresenham' Algorithmus (Der Regelt immer wenn es halt 0,5 überschreitet und dann nicht wenn es unterschritten wird) und das verstehe ich jetzt auch. Im Prinzip wird entgegen des Fehler gezappelt so ich da sehe.

Bei R2R ist jeder Puls ein Disaster in der Oberwelle die man dann mit irgend einem schlechten Filter R/C abrundet aber das ist keine Lösung da gefällt mir der Noise Shaper schon um Ecken besser den er bekämpft das Problem an der Wurzel. Haha Wurzel Hertz

Wie '>>8' (shift right 8*) und dann '<<8' (shift left 8*) Ich komme da aber auch auf kein Formatwandel den das Ergebnis ist das selbe wie am Ausgang Das verstehe ich nicht.

Der Trick dabei ist, dass ((x>>8)<<8) eben nicht gleich x ist. Die Aktionen >>8 und <<8 werden nacheinander auf eine int-Variable angewendet. Beispiel: 258>>8 = 1, 1<<256 = 256. Der Fehler ist -2. Wenn man nicht wieder auf die originäre Größe zurückgeht, bekommt man vollkommen falsche Fehlergrößen.

und das verstehe ich jetzt auch. Im Prinzip wird entgegen des Fehler gezappelt so ich da sehe.

So ungefähr. Und wie stark es zappelt, und wie das spektral geformt ist, hängt von den Parametern ab, mit denen die rückgeführten Fehler gewichtet werden. Das lässt sich berechnen und auf einen ganz bestimmten Verlauf hin designen.

Bei R2R ist jeder Puls ein Disaster in der Oberwelle die man dann mit irgend einem schlechten Filter R/C abrundet aber das ist keine Lösung da gefällt mir der Noise Shaper schon um Ecken besser den er bekämpft das Problem an der Wurzel.

Bitstromwandler haben andere Probleme wie z.B. schwingende oder übersteuernde NoiseShaper, oder den höheren Störsignalanteil im Hochfrequenzbereich (denn dahin wird ja das Rauschen verschoben).

Buschel (Beitrag #7) schrieb:

Der Trick dabei ist, dass ((x>>8)<<8) eben nicht gleich x ist. Die Aktionen >>8 und <<8 werden nacheinander auf eine int-Variable angewendet. Beispiel: 258>>8 = 1, 1<<256 = 256. Der Fehler ist -2. Wenn man nicht wieder auf die originäre Größe zurückgeht, bekommt man vollkommen falsche Fehlergrößen.

Verstehe wenn ich shifte dann fällt der 8te Wert raus (er ist nicht umkehrbar) und somit ist es nicht mehr Rückgängig machbar also durch 256 dividieren und dann mit 256 multiplizieren.

So ungefähr. Und wie stark es zappelt, und wie das spektral geformt ist, hängt von den Parametern ab, mit denen die rückgeführten Fehler gewichtet werden. Das lässt sich berechnen und auf einen ganz bestimmten Verlauf hin designen.

Somit wird durch den error entgegen des "Nicht" Signal Verlaufs gearbeitet - man könnte fast sagen der Ausgang wird in die Mitte (Average) zentriert.

Bitstromwandler haben andere Probleme wie z.B. schwingende oder übersteuernde NoiseShaper, oder den höheren Störsignalanteil im Hochfrequenzbereich (denn dahin wird ja das Rauschen verschoben).

Durch das Feedback in die Operation selbst kann es zu Schwingungsneigung wie bei IIR Filtern führen. Das muss man bedämpfen wie bei einem PID Regler. Es ist so wie ein Feedback eines Mikrophons in einen Lautsprecher selbst das führt auch zu einer Schwingungsneigung. Wie wird die Dämpfung eigentlich dedektiert und ich nehme an das diese Filter adaptiv sind. Aha.
Noch eine andere Frage kann ich einen Noise Shaper selber in C schreiben? Das Problem ich kann Assembler auf dem AVR aber meine C Kenntnisse sind nicht so besonders auf dem PC - ich habe da wenig bis gar keine Erfahrung aber ich will so einen Noise Shaper schreiben. Also ein Siganl vorher das dann in ein Signalnachher gewadnelt wird. Offline Audio Converter. Kannst du dir das vorstellen was ich da machen will? Ich möchte mir meinem PC ein wav (RIFF, AIFF) in ein Noiseshaped file umwandeln für meine 24bit Soundkarte. Das ich den gleiche Sound wie von meinen X33ES CD-Player erreiche. Das ist jetzt ja nicht so wenn ich ein CD file abspiele.

Sal (Beitrag #4) schrieb:

Soweit ich es begriffen habe, existieren keine "Treppen" in einem digitalen Audio-Signal, weil der Strompuls, der den Dac verlässt, sehr kurz ist. Ein Strom/Spannungswandler/Tiefpassfilter verbindet diese Pulse zum Audiosignal-nicht gradlinig sondern kurvenförmig. Wieso eigentlich? Denn beim bei klassischen R2R reicht dazu -extrem vereinfacht gesagt- ein Widerstand mit Kondensator als Tiefpass...?

Ohne analoge Filterung am DAC-Ausgang sieht man tatsächlich ein treppenförmiges Signal.
Von Yamaha gab es mal einen CD-Player, der 2 Ausgänge hat, den CDX-1110.
Der erste hat einen analogen Filter am DAC-Ausgang, der zweite nicht.
Am ersten sieht man eine schöne Kurvenform, am zweiten Treppenstufen.
Bei den meisten DAC-Chips ist der Analogfilter schon im Chip verbaut.

Grüße
Roman

Noch eine andere Frage kann ich einen Noise Shaper selber in C schreiben?

Siehe meine erste Antwort.

Offline Audio Converter. Kannst du dir das vorstellen was ich da machen will? Ich möchte mir meinem PC ein wav (RIFF, AIFF) in ein Noiseshaped file umwandeln für meine 24bit Soundkarte. Das ich den gleiche Sound wie von meinen X33ES CD-Player erreiche. Das ist jetzt ja nicht so wenn ich ein CD file abspiele.

Warum willst du so etwas selbst schreiben? Wenn es zum Lernen ist, ok. Ansonsten gibt es dazu Tools, die das machen und auch noch sehr flexibel konfigurierbar sind. Ich nutze z.B. sox unter Linux.

Aber: Mit NoiseShaping kannst du nicht den Sound deines X33 nachahmen oder irgendwie den Sound verändern. Da spielen ganz andere Faktoren eine Rolle.

@buschel - eine Klangnachbildung des X33 wäre super aber das geht wahrscheinlich nicht denn da spielt die ganze Hardware eine entscheidende Rolle. Wie z.B. die JRC Operationsverstärker die Koppelkondensatoren und und und...
Ich will kein fertiges tool verwenden ich will da selber herumspieln aber sox ist ein Tipp. Muss man da auf irgendwas aufpassen und ist der im PPA?
Komisch nur den habe ich aus welchem Grund auch immer bereits installiert??? Häää
desktop ~ $ sox -?
sox WARN getopt: option `?' not recognized
sox: SoX v14.4.1

sox FAIL sox: invalid option

Usage summary: [gopts] [[fopts] infile]... [fopts] outfile [effect [effopt]]...
OK Danke einmal hast du eine Idee wie man den X33 nachmachen kann? Ich bin ein Fan von diesem Gerät und habe mir einen 2. defekten gekauft der steht jetzt hier leider ist der DAC defekt so bestellte ich einen neuen CXD2552Q im QFP Gehäuse. Recaping (alle Elkos neu) habe ich bereits gemacht da sind fast alle Lila/Rosa Elkos ausgeronnen gewesen. Dann geht auf Pin 15/16 das Digitale signal rein und der Clk auch auf einem Nachbar Pin aber Tot auf L&R out! Die Leiterplatte mit Aceton gereinigt das war eine Putzerei denn das Elektrolyt ist leitend und da musste ich putzen.
Nun mein Pech ich bestelle auf eBay den CXD2552q der sagt mir nach Eingang der Zahlung einen Tag später das er den Chip in seinem Lager nicht findet doch dann gleich auf Ali dort den Chip für USD13,- mit Porto - hoffe das der jetzt kommt.

Dann mal viel Erfolg mit sox und dem Herumspielen.

Damit wie man eine X33 nachahmen kann kann ich dir nicht weiterhelfen. Aber wie gesagt, mit NoiseShaping hat das mit Sicherheit nichts zu tun. Wenn du an dem Gerät so hängst (ich kann das verstehen, ich hatte auch viele Jahre einen X555), würde ich wohl versuchen per SPDIF an einen neuen DAC zu gehen.

Hast du Vorschläge für einen Echt guten DAC? Kann auch selbstbau sein.
Ich habe einen VSX921 aber der hört sich auf den Boxen auch nicht so Super an sondern eher "Nicht Transparent" eben nicht so wie der X33.
Warum hast du deinen X555 weggegeben?
Ich habe mir deshalb so einen gebrauchten X33 gekauft da ich an den CDs die habe so hänge und was ist wenn ich keinen mehr bekomme der so klar im Klang ist? Denn die MP3 und auch anders gespeicherten Sounds klingen einfach nicht so. Möglich auch das ich alles falsch höre das habe ich mir auch schon gedacht oder bin ich ein Nostalgieger der dem Zeitgeist nicht folgen kann? Ich wollte eigentlich immer das neueste bis dann MP3 gekommen ist da habe ich mir gleich Tausende Lieder aufgenommen und dann hat mir irgend so ein Typ diesen alten CD-Player X33 verkauft für €40,- weil der Klang so verzerrt war - die Transistoren Q401 & Q501 die für das Muting zuständig waren sind defekt gewesen die habe ich ausgebaut und dann einmal gehört wie ein sehr Guter CD-Player klingt. Seit dem kann ich nur noch CDs hören!

Auch noch so gute Aufnahmen aus Youtube sind in meine Ohren nicht sehr transparent. Ich habe auch eine 24bit externe Soundkarte Behringer UMC204 die geht ausgezeichent aber die Quellen sind es halt die man nicht bekommt.
Wie geht es dir damit?