Sin dalla comparsa dei primi DVD-Video tutti gli appassionati di audio sono stati da un lato resi sospettosi dall’impiego della compressione, almeno nei film, ma dall’altro anche irretiti dalla lunghezza massima della word audio: 24 bit, ovvero 8 bit in più del formato CD. In teoria, 48 decibel di dinamica in più, ovvero distorsione e rumore 256 volte più bassi. Ma è proprio così?
Quando il formato CD vide la luce, nel 1980, i 16 bit dello standard rappresentavano non solo un miglioramento strabiliante della “finezza” di immagazzinamento delle informazioni (con i vecchi e da alcuni ancora rimpianti LP era impensabile poter discernere segnali inferiori a -55/-60 dB dal più forte segnale inciso), ma erano sovrabbondanti anche per la tecnologia dei convertitori del tempo.
I possibili formati audio in PCM lineare previsti dallo standard DVD-Video.
Questi accettavano sì parole da 16 bit (o da 14 bit sovracampionate per 4), ma la loro vera precisione era inferiore, tipicamente minore di 15 bit equivalenti. Poi naturalmente le tecnologie migliorarono ed allora, più o meno una decina di anni or sono, il “collo di bottiglia” divenne il formato stesso. Vennero naturalmente sviluppati dei sistemi di codifica compatibili in grado di aumentare la risoluzione percettiva (in particolare occorre ricordare il Super Bit Mapping Sony e il sistema HDCD della Pacific Microsonics), ma il limite del doppio byte (quando si parla di dati digitali, con la sola potenziale eccezione del formato DVD-Audio, i “salti” avvengono di norma a passi di 8 bit, ovvero un byte, od almeno di 4 bit, alias un “nibble”) appariva sempre più quello maggiormente rilevante. Finalmente, il DVD aggiunse il byte ulteriore. Ma quanta parte di questo “enorme” ampliamento nella lunghezza della parola digitale siamo effettivamente in grado di sfruttare?
In attesa di DVD test – ed in particolare di DVD-Audio test – dotati di segnali adeguati, l’unico modo per analizzare le prestazioni dei convertitori oltre la soglia dei sedici bit è l’impiego di un DVD test inciso sfruttando una delle modalità audio PCM lineari previste dal formato DVD-Video e riportate in tabella 1. I dischi che le sfruttano non sono certo molti, ma molto meno ancora i dischi test seri: l’unico effettivamente reperibile è “The super audio collection & professional test disc” della Chesky, che possediamo ed impieghiamo per analisi interne ormai da due anni, ma sulla cui purezza spettrale avevamo ancora qualche remoto dubbio, complice da un lato la mancata obbligatorietà della trasmissione digitale 96 kHz sulle uscite dei DVD player (molti, come tristemente noto, effettuano il downsampling) e dall’altro il comportamento anomalo di alcune macchine esaminate in passato. Da alcuni mesi il nostro laboratorio è però dotato anche dell’ultima e più potente versione del sistema di misura Audio Precision (il System Two Cascade), capace di sintonizzarsi su segnali digitali anche a 96 kHz, ed i test effettuati da allora hanno dimostrato che i segnali incisi su questo DVD sono assolutamente perfetti e possono quindi essere impiegati per le misure correnti sui DVD player in prova. Nelle figg. 1/2/3 compaiono gli spettri dei toni di prova da 1 kHz/-60 dB campionati con word da rispettivamente 16/20/24 bit: com’è giusto attendersi dato il rapporto tra frequenza incisa e frequenza di campionamento, il rumore di quantizzazione si concentra sulle armoniche dispari del segnale e cade di 24 dB (6 dB per bit) ad ogni aumento di lunghezza di parola, giungendo a circa -160 dB dallo zero standard (ovvero, se lo zero dB equivale alla distanza della terra dalla luna, ad una altezza di 4 metri dal suolo…) con la word da 24 bit.
Figura 1 – Spettro di un tono da 1 kHz/-60 dB campionato a 96 kHz/16 bit presente nel DVD test Chesky.
Figura 2 – Come figura 1, ma word da 20 bit.
Figura 3 – Come figura 1, ma word da 24 bit. Questo è il segnale che da oggi impiegheremo per valutare l’accuratezza dei convertitori montati nei DVD player video ed anche audio, fin quando non si renderanno disponibili segnali ancora più adatti.
È questo il segnale che impiegheremo da oggi per saggiare la linearità dei convertitori dei DVD, in modo analogo a quanto abbiamo fatto finora con il tono ditherizzato da -70.3 dB. Quest’ultimo è ovviamente un segnale inciso su un CD e quindi campionato a 44.1 kHz/16 bit ed il suo rumore intrinseco, anche per la presenza del rumore dither, è tale che nelle condizioni di analisi (FFT su 16384 campioni, pesatura di Blackman) non è possibile discernere armoniche o spurie inferiori a circa -133 dB dallo zero di riferimento.
Primi risultati
Nelle figg. 4 e 5 riportiamo gli spettri del tono da 1 kHz e campionato a 96 kHz per due lunghezze di parola: 20 bit (traccia blu) e 24 bit (traccia rossa), quest’ultima leggermente traslata verso destra per agevolare il confronto. Le macchine impiegate sono quelle in prova su questo stesso numero e come si vede, nonostante la loro qualità, non sussistono differenze apprezzabili tra i risultati conseguiti nelle due condizioni, nonostante i 24 dB teorici attesi. Del resto, era impensabile il contrario, e per almeno due motivi:
- 24 bit significano una dinamica utile pari a 146 dB (ovvero un rumore di quantizzazione 146 dB più basso del massimo segnale sinusoidale), ed il massimo rapporto segnale/rumore oggi fisicamente ottenibile (trascurando ovviamente i limiti fisici di natura termica) da uno stadio di amplificazione a bassissimo rumore si aggira sui 120 dB. Atteso che esistesse un convertitore tanto preciso da approssimare i 24 bit, tutti i segnali più “sottili” da questo riprodotti sarebbero sommersi dal rumore.
- Per guadagnare i primi 2 bit effettivi di risoluzione sono occorsi circa 10 anni, ed altrettanti ne sono passati da allora. L’analisi dei migliori sistemi di conversione (eminentemente professionali, ma non unicamente) passati per il nostro laboratorio indica che la massima risoluzione effettiva oggi disponibile si aggira sui 18 bit. I conti tornano…
Figura 4 – Confronto tra gli spettrogrammi ottenuti con segnale campionato su 20 bit (traccia blu) e 24 bit (traccia rossa), lettore Meridian 596. Come si può notare le differenze sono pressoché irrilevanti, e lo stesso risultato è stato osservato su tutte le macchine analizzate da circa un anno a questa parte.
Figura 5 – Come figura 4, ma lettore Pioneer DV-939A.
Per tentare di calcolare la risoluzione integrale (i bit, per l’appunto) di un DVD dalla nuova misura si può applicare la formuletta seguente
Bit=[-10 LOG10(8192 10^((dbnoise-1.5)/10)-1.8]/6.02
ove dbnoise è un numero negativo che rappresenta l’altezza media (ovvero trascurando eventuali intrusioni di spurie ed irregolarità di pendenza) in decibel del tappeto di rumore. Il numero che si ottiene è peraltro puramente indicativo, sia perché di norma inficiato dalla suddetta componente termica (molto spesso preponderante), sia perché solo una piccola parte della gamma dinamica del convertitore (ovvero una piccola parte dei livelli riproducibili) viene sollecitata. Inoltre – ed è questo che più conta – più della risoluzione integrale è importante quella differenziale, che causa le distorsioni osservabili nei grafici e che probabilmente è meglio correlata con le sensazioni che scaturiscono in sala di ascolto.
di Fabrizio Montanucci
da Digital Video n. 24 maggio 2001
