Restore-Option in X3800H/X4800H etc. macht Aliasing (SW FEHLER, Signalkette, DAC)! - Mitmachen!

Inhalt:
- TEIL 1: PROBLEMBESCHREIBUNG
  - Teil 1.a: Reproduktion des Problems
  - Teil 1.b: Erklärungsversuch
  - Teil 1.c: Gegenmaßnahmen mit aktuellem Gerät/FW-Stand (19.10.2023)
- TEIL 2: Aufruf zum MITMACHEN an alle Denon / Marantz AVR Besitzer!
- Web Links
- Meine Messungen am X4800H - einige Screenshots


TEIL 1: PROBLEMBESCHREIBUNG

In den Einstellungen des X3800H / X4800H (und vermutlich auch den 2000er, 6000er und 8000er Modellen sowie Vorgänger-Modellen und Marantz-Modellen der SR- und Cinema-Serie) unter "Audio" gibt es die Funktion "Restore" mit den Optionen "Aus - Gering (default) - Mittel - Hoch".

Diese Einstellung sollte auf "Aus" geändert werden, da sie fehlerhaft implementiert ist und das Signal durch sogenanntes "Aliasing" verfälscht. Aber auch ohne den Aliasing-Fehler würde ich es auf "Aus" stellen, da es gute Audiosignale unnötig verfälscht.

Hintergrund:
Laut Dokumentation soll die "Restore" Funktion ein digital komprimiertes Signal mit niederer Bitrate, das typischerweise in seinen hohen Frequenzen beschnitten ist, aufpeppen, indem hohe Frequenzanteile wieder hinzugefügt werden und das Signal so verbessert wird.

Hierbei gibt es nun aber zwei Probleme:

1.) Diese Signal-"Korrektur" findet IMMER statt, also auch bei nicht komprimiertem Audio-Material wie z.B. WAV-Dateien, die vom USB-Stick abgespielt werden. Dies führt also zu einer Manipulation und damit Verschlechterung eines bereits hochwertigen Audio-Signals. Die Dokumentation erweckt den Anschein, dieser Algorithmus würde nur auf (stark) komprimiertes Audio-Material angewendet werden, was aber nicht stimmt, wie mein Test beweist (*.wav-file auf USB Stick).

2.) Das Signal-Processing dieses Algorithmus erzeugt "Aliasing", also Frequenzanteile, die da absolut nicht hingehören und teils sogar unterhalb der zugrundeliegenden Originalfrequenz liegen! Ich erkläre das anhand eines Beispiels, das jeder von euch recht einfach nachstellen kann.


Teil 1.a: Reproduktion des Problems

Ab ca. 3000 Hz (3 kHz) und höher ergänzt der AV Receiver eine 1. und 2. Oberschwingung ca. 10-30 dB unterhalb des zugrundeliegenden Original-Signals. Das könnt ihr einfach nachstellen durch Abspielen eines z.B. 3 kHz Sinus Testtons (z.B. aus einer USB *.wav Datei, erzeugt und heruntergeladen von der "audiocheck" Webseite) und Prüfen des Spektrums z.B. mit der "Spectroid" Spektrum-Analysator Android App. Haltet dabei das Smartphone Mikrofon direkt ca. 2 cm vor den Hochton-Tweeter und stellt die LAUTSTÄRKE NICHT ZU HOCH, um Schaden am Lautsprecher-Hochtöner zu vermeiden!!! Z.B. Lautstärke=10 (aus 0..98), oder =-70 dB (aus -79,5..+18,0 dB), reicht aus. Dann seht ihr im Spektrum neben der Linie bei 3 kHz auch Linien bei 6 und 9 kHz. Benutze dazu die Front Speakers in der Main Zone und NICHT den Soundmodus "(Pure) Direct". Dasselbe funktioniert z.B. bei 7 kHz, hier gibt es Obertöne im Spektrum bei 14 und 21 kHz.

Ab 8 kHz hochwärts wird es "interessant", denn hier passiert Aliasing: Die 1. und 2. Oberwelle von 8 kHz liegt bei 16 and 24 kHz (wobei 24 kHz normalerweise jenseits des Wiedergabebereichs des Hochtöners liegt und darum irrelevant/unsichtbar/nicht-existent sein sollte). Jedoch, was ich tatsächlich sehe (auch wenn ich den Spectrum Analyzer mit 96 kHz samplen lasse um Aliasing-Effekte auf Seiten des Messwerkzeugs auszuschließen) sind Linien bei 16 and 20 kHz! Wo kommt diese 20 kHz her? --> Nun, wenn wir die 2. Oberwelle, die 24 kHz, an den 22 kHz "spiegeln" (22 kHz ist die Häfte der weit verbreiteten Samplingfrequenz von 44 kHz [oder genauer 44,1 kHz], dann kommen wir bei 20 kHz an (oder genauer 20,1 kHz).

Und das geht so weiter bei allen höheren Frequenzen. Z.B. 9 kHz erzeugt Oberwellen bei 18 kHz (korrekt) und 17 kHz (Aliasing: 2. Oberwelle 3 x 9 kHz = 27 kHz gespiegelt an der 22 kHz Nyquist Frequenz ergibt 27-22=5 und 22-5=17 kHz). So richtig verrückt wirds dann bei 12 kHz Original-Signal, das Oberwellen bei 24 und 36 kHz erzeugen sollte, aber stattdessen "gespiegelte Oberwellen" bei 20 kHz (gespiegelt von 24 kHz) and sogar einen kleinen Peak bei 8 kHz (gespiegelt von 36 kHz) erzeugt! Das ist für mich sogar hörbar, denn während ich einen sauberen 12 kHz Sinuston kaum hören kann, kann ich diesen unsauberen Ton durchaus hören.


Teil 1.b: Erklärungsversuch

Was passiert hier? Zunächst fügt Denons digitaler "Restore"-Algorithmus im digitalen Signalprocessing eine 1. und 2. Oberschwingung zum Originalsignal hinzu, für Signalanteile oberhalb ca. 2-3 kHz. Das passiert offenbar bei einem digital stark hochgesampelten Signal deutlich oberhalb von 44,1 kHz Sampling Frequenz. Dann macht Denon offenbar ein Downsampling auf 44(,1) kHz, um dieses so heruntergesampelte Signal dem DAC zuzuführen. Sowohl der aktuelle DAC (Texas Instrument PCM5120A) als auch die (besseren) Vorgänger (AKM AK4458) können mit einer Vielzahl von Sampling-Frequenzen umgehen, und Denon hat hier mit 44,1 kHz offenbar die preisgünstigste Lösung gewählt (zumindest beim X4800H). 44,1 kHz ist ja auch die Sampling Frequenz bei CDs.

Was Denon versäumt (entweder versehentlich oder aus Kostengründen/wegen technischer Restriktionen) ist, vor dem Downsampling auf 44.1 kHz das noch hochratige Signal zunächst einmal durch einen Tiefpass zu filtern (Anti-Aliasing-Filter), um die Frequenzanteile oberhalb von 22,05 kHz zu eliminieren. Darum kommt es dann zu besagtem Aliasing, woduch alle Frequenzen oberhalb von 22,05 kHz, die bei einem mit 44,1 kHz gesampelten Signal nicht mehr darstellbar sind, sich am 22,05 kHz Punkt "nach unten spiegeln" und dann dort ihr Unwesen treiben.

Bemerkung: Evtl. gibt es im AVR noch andere digitale Signalmanipulationen neben der "Restore"-Funktion, die ebenfalls höhere Frequenzanteile und Aliasing erzeugen. Das habe ich nicht getestet.


Teil 1.c: Gegenmaßnahmen mit aktuellem Gerät/FW-Stand (19.10.2023)

• Wie gesagt ist die einfachste und beste Maßnahme, die Option "Audio -> Restore" auf "Aus" zu stellen.
  Es sei aber auch bemerkt, dass Signale auf Zone2/Zone3 offenbar grundsätzlich nicht betroffen sind! Der "Restore"-Algorithmus wirkt offenbar nur auf die MAIN-Zone (und evtl.(?) auch nur auf die Front-LS? Nur diese habe ich jedenfalls getestet). Auch dies sollte in der Doku besser erklärt werden.
  
  
• Eine andere Möglichkeit ist das Umschalten des Soundmodus auf "Direct" oder "Pure Direct" (gelber Knopf auf Fernbedienung). Dies umgeht für die MAIN-Zone die digitalen Signal-Manipulationen und damit auch die "Restore"-Funktion. Zone2/3 läuft dageben offenbar ohnehin immer im "Direct"-Mode. Zumindest, solange sie wie in meinem Testfall Stereo-Input erhält. (Ich vermute aber, dass Zone2/3 auch bei Multi-Channel Input nur die Front Channel Signale benutzt und "direct" durchleitet und die anderen Kanäle einfach ignoriert, so dass auch hier kein "Restore" Algorithmus wirkt - aber das ist nur meine Vermutung.)
  

Ich habe noch nicht geprüft/getestet, ob auch andere digitale Prozessing-Algorithmen als "Restore" wie z.B. "Surround", "DTS" und wie sie alle heißen, Oberwellen und/oder Aliasing Effekte erzeugen. Ich würde aber auf "Nein" tippen, da ich glaube, die Signalmanipulation ist hier eher anderer Natur (Frequenz-Equalizer, Phasen, Lautstärken, Kanal-Inhalte-Zuordnungen, ...).


TEIL 2: Aufruf zum MITMACHEN an alle Denon / Marantz AVR Besitzer!

Bitte prüft doch mal, ob der Effekt auch bei euch auftritt, wenn ihr ein ähnliches Gerät habt! (Schritte unten aufgeführt!)

Möglicherweise verhalten sich 3600, 3700(alt), 3700(neu), 3800, 4600, 4700(alt), 4700(neu), 4800 bzw. die Geräte der 2000er oder 6000er oder 8000er Serie, sowie die Marantz-Geräte (SR-xxxx oder Cinema xx), nicht alle gleich. Denn gerade im DAC-Teil gibt es hier Unterschiede und auch Umstellungen innerhalb der *700-er Serie (sicher beim X3700H, vermutlich auch beim 4700-er) wegen eines Feuers beim DAC-Zulieferer AKM, was dazu führte, dass das gesamte Signalprocessing-Board im Jahr 2021 neu designed werden musste um einen neuen DAC herum, nachdem AKMs AK4458 durch den (weniger leistungsfähigen) TIs PCM5120A ersetzt wurde - so zumindest die spärlichen Infos, die man im Netz dazu findet, und die Messungen auf "audiosciencereview" belegen die Qualitätsverschlechterung des DACs von 3700 nach 3800 etc. Die höheren Baureihen (6000er? 8000er?) wiederum verwenden wohl den noch höherwertigeren AK4490, der wohl auch über das Jahr 2021 hinaus verfügbar war und weitergeführt wurde. Gut möglich auch, dass nicht alle DACs auf allen Geräten mit 44,1 kHz laufen sondern einige auf höherer Frequenz, was das geschilderte Aliasing-Problem eliminieren oder verändern würde. Auch können größere Geräte mit mehr Rechenpower sich evtl. ein Anti-Aliasing Filter leisten, was den kleineren Geräten vorenthalten bleibt.

Darum wären Tests hierzu echt aufschlussreich!

Schritte zum Reproduzieren:

1. Android App "Spectroid installieren" (Default Einstellungen passen so), oder anderere Spektrum-Analysator-App.
   
2. Von der Website audiocheck oder wavtones einen 10000 Hz (10 kHz) Sinus-Ton (-3 dBFS oder -6 dBFS Aussteuerung) generieren und als *.wav-Datei herunterladen, und auf einen USB-Stick kopieren. USB-Stick in AVR einstecken.
   
3. AVR Einstellungen "Audio -> Restore" auf den Default-Wert "Niedrig" (oder "Gering?") einstellen bzw. belassen. Auf jeden Fall NICHT auf "Aus" stellen zum Zwecke dieses Tests (später dann aber schon)!
   
4. Sicherstellen, dass die Front-Lautsprecher in der MAIN-Zone nicht per "Direct/Pure Direct" eingestellt sind sondern z.B. auf "Stereo" (in meinem Fall) - aber eigentlich geht alles außer "(Pure) Direct".
   
5. !!! WICHTIG !!!: Lautstärke auf Stufe 10 (0..98) bzw. -70 dB (-79.5..+18 dB) einstellen. Also nicht zu laut, damit der Hochtöner beim Abspielen des Sinus-Tons keinen Schaden nimmt, da sich hier die Energie auf eine einzige Frequenz konzentriert. Wenn man Musik auf dieser Stufe hört, ist sie flüsterleise. Wenn du so vorgehst, besteht keine Gefahr für dein Equipment.
   
6. Starte den Spektrum-Analyzer (z.B. "Spectroid" App) auf dem Smartphone und schaue dir das Audio-Spektrum an, das von 1 Hz bis 22000 Hz verlaufen sollte. Mache dich auch mit den Buttons "Play/Pause (> / ||)" und "..." --> "Reset max hold" kurz vertraut. Das war's auch schon.
   
7. Am AVR wähle als Eingangs-Quelle USB (USB Fernbedienungs-Taste), browse zur 10 kHz Sinus Datei und starte deren Wiedergabe.
   
8. Haltes das Mikrofon (Unterkante) des Smartphones (Spectroid) ca. 2 cm vor den Hochtöner. Resette ggf. nochml kurz das Spektrum und stoppe es nach ein paar Sekunden Aufzeichnungszeit, um es dir dann in Ruhe anschauen zu können.
   

Optional: Du kannst das Ganze auch für andere Frequenzen wiederholen, z.B. für 3 kHz, 5 kHz, 7 kHz, 9 kHz.

Auswertung:

• Schaue dir das Spektrum an:
  
• Ragt der 10 kHz Peak weniger als ca. 50-60 dB aus dem Rauschen heraus und du siehst *keinen* Peak bei 20 kHz? Dann musst du ggf. oben in Schritt 5. die Lautstärke doch ein klein wenig erhöhen.
  
• Ragt der 10 kHz Peak über 40 dB aus dem Rauschen heraus und du erkennst trotzdem *keinen* Peak bei 20 kHz, der ca. 30 dB schwächer darunter liegen müsste, und auch sonst keinen weiteren prägnanten Peak? Dann stimmen deine AVR-Einstellungen nicht. Hast du "Restore" wirklich aktiviert? Ist dein Wiedergabe-Modus auch wirklich ein anderer als Direct oder Pure Direct? Misst du auch wirklich auf dem Front MAIN Speaker (L oder R) und nicht etwas auf Zone 2 oder 3?
  

Mögliche Ergebnisse:

1. Du siehst einen Peak bei 10 kHz, 20 kHz und 14,1 kHz? Dann hast du das gleiche Ergebnis wie ich. Deine Kette sampled vor dem DAC auf 44,1 kHz runter ohne das Signal vorher auf 22 kHz Tiefpass zu filtern.
   
2. Du siehst einen Peak bei 10 kHz und 20 kHz aber keinen bei 14,1 kHz oder anderswo, und der 20 kHz Peak erhebt sich mindestens um 10-15 dB aus dem Rauschen heraus (sonst Lautstärke bei 5. leicht erhöhen und Test wiederholen)? Dann hast du eine hochwertigere Signalkette als ich im X4800H, ohne Aliasing! Glückwunsch! Entweder enthält deine Kette ein Anti-Aliasing Tiefpassfilter, oder dein DAC sampled mit höherer Frequenz, also mindestens mit 88,2 oder 96 kHz.
   Du könntest sicherheitshalber nochmal mit einem 9 kHz Signal die Messung wiederholen. Die böse Aliasing-Linie liegt jetzt bei 17,1 kHz, gleich neben der "korrekten" 18 kHz Oberschwingung. Auch hier solltest du nun konsistenterweise nur die 9 kHz und 18 kHz sehen, nicht aber die 17,1 kHz oder anderswo.
   
3. Du siehst einen Peak bei 10 kHz und 20 kHz und einen weiteren bei 18 kHz? Dann arbeitet deine Signalkette/dein DAC mit 48 kHz statt 44,1 kHz Sampling Frequency und du hast auch hier Aliasing! Das ist ähnlich schlecht wie bei "meinen" 44,1 kHz.
   
4. Du siehst einen Peak bei 10 kHz und weitere bei 2 kHz und 12 kHz, nicht aber bei 20 kHz? Dann arbeitet deine Signalkette/dein DAC mit 32 kHz statt 44,1 kHz Sampling Frequency und du hast auch hier Aliasing! Deine Signal-Kette ist noch minderwertiger. Ich glaube eigentlich nicht, dass jemand das hier beobachten wird.
   
5. Noch was ganz anderes? Glaub ich zwar nicht, bin aber gespannt... ;-)
   

Poste dein Ergebnis bitte unter Nennung deines AV Receiver Modells. Falls es ein Denon X3700H oder X4700H ist, wäre noch die Seriennummer von Interesse (natürlich nur wenn du bereit bist die zu nennen), weil es innerhalb dieses Modells die besagte Umstellung des DACs plus dessen Beschaltung gab.

Web Links:
Sinuston-Generatoren mit Download (ich habe [1] verwendet):
[1] https://www.audioche...nerator_sinetone.php
[2] https://www.wavtones.com/functiongenerator.php

Meine Messungen am X4800H - einige Screenshots:

<-- 3 kHz   <-- 7 kHz   <-- 9 kHz   <-- 10 kHz

<-- 12 kHz -->

Z.B. der Aliasing Peak bei 17,1 kHz im 9 kHz Bild beweist, dass Denon hier keinen Anti-Aliasing-Filter vor dem Downsampling benutzt - denn dieser Aliasing-Peak der 2. Oberschwingung ist genauso hoch wie der "reguläre Peak" der 1. Oberschwingung bei 18 kHz.