Hifi-skolan, del 4

I förra avsnittet skrev vi om de klassiska analoga signalkällorna. Men även om skivspelaren har fått en imponerande renässans är det mesta av ljudet som skickas genom stereoanläggningen digitalt.

När Sony CDP-101 lanserades i oktober 1982 som den första CD-spelaren var det inte bara ett nytt medium, utan ett helt nytt paradigm för musikdistribution. Alla ljudmedier dessförinnan hade varit analoga, vilket innebar att det fanns en direkt proportionalitet mellan originalljudet och den lagrade signalen. Med digital lagring omvandlas ljudsignalen till binära sifferkoder – långa sekvenser av ettor och nollor. Och det går inte att avgöra om en CD innehåller Beethovens nionde symfoni eller Encylopedia Britannica genom att studera de hundratals miljoner koder som finns på den.

Digitalt från början till slut

I själva verket är i stort sett all musik idag digital, från början till slut. I CD-skivans barndom kunde man hitta den så kallade SPARS-koden på CD-skivor. Koden består av tre bokstäver som antingen är A för analog eller D för digital. Den första bokstaven anger om inspelningen är analog eller digital. Nästa bokstav hänvisar till mixningsprocessen, medan den sista bokstaven hänvisar till masteringsprocessen. En CD märkt DDD är alltså inspelad, mixad och mastrad digitalt, medan en digitalisering av en gammal inspelning där endast en ny digital mastring har gjorts är märkt med AAD.

I dag är det sällsynt att analog bearbetning överhuvudtaget används i produktionen. Allt från inspelning till mastring sker ”i datorn” och i många fall är instrumenten inte ens fysiska, utan appar och plug-ins.

För att ge en känsla av analog närvaro kan studioteknikern däremot skicka signalen genom en rullbandspelare innan den bearbetas digitalt. För att sedan så småningom släppas i en digital version för streaming. Och naturligtvis även i en vinylversion – med den autentiska, analoga ljudkvaliteten.

Samplingsfrekvens och upplösning

När en analog signal digitaliseras sker det genom att nivån samplas (mäts) många gånger per sekund. Ju fler gånger, desto högre frekvenser kan återges.

På en musik-CD är samplingsfrekvensen 44,1 kHz och noggrannheten 16 bitar. Det innebär att CD-skivan har ett frekvensområde som teoretiskt går till 22,05 kHz. I praktiken skärs ljudet kraftigt över 20 kHz. Bitdjupet är ett uttryck för med vilken noggrannhet den digitala signalen följer det analoga ljudet. Ett bitdjup på 16 bitar innebär att det kan finnas 65 536 signalnivåer. Från absolut tystnad till maxnivå.

CD har kritiserats för att ha ett begränsat dynamiskt omfång jämfört med 24 bit i den professionella världen. 16 bitar ger ett maximalt dynamiskt omfång på 96 dB. Men med tanke på att ljudnivån i normala hem ligger på 35–40 dB eller högre och smärttröskeln är 120 dB, är detta mer än tillräckligt. Som jämförelse kan nämnas att det dynamiska omfånget för vinylskivor är 60–70 dB.

Översampling

För att separera ljudsignalen från samplingsfrekvensen på 44,1 kHz på CD måste signalen filtreras med ett brant filter. Även om filtret bara aktiveras strax över 20 kHz orsakar det en fasförskjutning och ringning som är hörbar.

Ett sätt att – mer eller mindre – komma runt begränsningarna med brant filtrering är översampling. Vid översampling samplas signalen med en frekvens som är flera gånger högre än signalens faktiska frekvens. Detta flyttar oönskade frekvenskomponenter högre i frekvens och gör dem lättare att filtrera bort. Det nödvändiga analoga filtret kan också göras mindre brant – och mer öronvänligt.

CD-spelaren

Som signalkälla till den klassiska analoga förstärkaren är CD-spelaren lätt att ha med att göra. Alla analoga linjeingångar kan användas – oavsett om det står CD, AUX eller något helt annat på knappen. I praktiken levererar CD-spelaren oftast en lite starkare signal än exempelvis en radiodel. Du behöver alltså inte vrida upp volymen lika högt för att utnyttja förstärkaren fullt ut.

Bättre CD-spelare har en eller flera digitalutgångar där den digitala signalen leds förbi den inbyggda digitalomvandlaren. Om din förstärkare har en digitalingång eller om du har investerat i en separat digitalomvandlare (DAC), får du antagligen bättre ljud på det sättet. En ny DAC kan vara ett sätt att förlänga livslängden på en stabil men äldre CD-spelare.

”Det perfekta, felfria ljudet”

När CD-mediet introducerades marknadsfördes det som det perfekta ljudmediet utan några brister. Ljudet skulle alltid vara helt fritt från brus och förvrängning. Även man hade använt den silverglänsande skivan som frisbee eller tårtkniv. Systemets inbyggda felkorrigering tog hand om allt.

Det stämmer att CD-skivor inte har något ytbrus, men de var inte riktigt så tåliga som reklamen påstod. Fingeravtryck är inget problem, men även små repor på ytan kan leda till ljudbortfall eller klickljud. Speciellt om reporna går tvärs över ytan och orsakar långa luckor i dataströmmen.

Streamern

För de flesta har streaming blivit en ersättning för vinylskivor, CD-skivor och andra fysiska medier. Musiktjänster som Tidal och Qobuz ger tillgång till fler än 100 miljoner låtar med ett par tryck på mobilskärmen. I samma kvalitet som CD eller till och med högre. Om du kan nöja dig med lägre ljudkvalitet är YouTube och Spotify billigare eller helt gratis alternativ.

Det finns flera sätt att få in den streamade musiken i anläggningen. Många moderna förstärkare har inbyggda nätverksfunktioner som stöder de stora streamingtjänsterna direkt.

Nätverksstreamern kan också vara en separat enhet som kan ställas i stereohyllan, där den även kan användas för att spela upp musikfiler från en nätverksserver (NAS) eller en USB-ansluten hårddisk.

Precis som CD-spelaren kan en separat streamer kopplas till vilken analog linjeingång som helst på förstärkaren. Eller kopplas in digitalt om förstärkaren har en inbyggd DAC.

Bluetooth

Det enklaste och mest primitiva sättet att få in digital musik i förstärkaren är via Bluetooth. Bluetooth har – med rätta – ett rykte om sig att leverera dålig ljudkvalitet, eftersom signalen i nästan alla fall måste komprimeras kraftigt. Men det är praktiskt och enkelt, och även de minst tekniskt kunniga kan strömma musik från sin mobiltelefon till förstärkaren på samma sätt som till en bärbar högtalare eller ett par trådlösa hörlurar.

Medan nätverksfunktioner höjer priset på en förstärkare är Bluetooth-kretsar billiga, så många förstärkare utan nätverksstreaming har fortfarande Bluetooth-funktion. Detta gäller både de billigaste och dyraste highend-förstärkarna, där audiofiler skulle rynka på näsan åt att slösa pengar på nätverksstreaming – men ändå vill ha det lite bekvämt när det ska spelas musik på fester.

TV:n

Stereon kan användas till mer än att bara spela musik. Och när TV:n ändå står och tar upp halva vardagsrumsväggen vore det synd att inte använda anläggningen för att få bättre ljud när man tittar på Yellowstone. Ljudet i TV-apparater är bara digitalt och den bästa lösningen är att använda förstärkarens HDMI-ingång, om det finns en sådan. Alternativt har de allra flesta TV-apparater också en optisk digitalutgång.

Fördelen med att använda HDMI är att du kan styra volymen med TV:ns fjärrkontroll. Och om bild och ljud inte är helt synkroniserade kan du ofta finjustera ljudets fördröjning i TV:ns inställningar. Sådana möjligheter har inte den optiska utgången.

Digitalomvandlaren

En digitalomvandlare – eller DAC – kan betraktas både som en signalkälla och som en förlängning av förstärkaren.

Som namnet antyder är digitalomvandlarens uppgift att omvandla den digitala signalen från till exempel en CD-spelare eller streamer till en analog ljudsignal. Utsignalen från en DAC kan kopplas till valfri analog linjeingång på förstärkaren.

Om DACen har inbyggd volymkontroll kan den i många fall helt ersätta en förförstärkare. I så fall kan den kopplas direkt till en effektförstärkare eller till ett par aktiva högtalare. Kombinationen av DAC och hörlursförstärkare är också ganska vanlig.

Ingångar och signaler

För att ta emot signaler från digitala enheter är det viktigt att omvandlaren klarar de signaltyper och kontakter som används i anläggningen. Om den har RCA-ingångar för koaxiala signaler, Toslink för optiska signaler och en HDMI-ingång för ljud från TV:n så klarar man sig oftast fint. En USB-B-port gör det möjligt att spela ljud från en dator. Då fungerar DACen som ett externt ljudkort.

Den koaxiala anslutningen, som mer korrekt heter S/PDIF (en förkortning för Sony/Philips Digital Interface), stöder signaler med en samplingsfrekvens på upp till 48 kHz och ett djup på upp till 24 bitar.

Den optiska Toslink-anslutningen har samma upplösning som den koaxiala när den används för stereo, men det råder viss förvirring eftersom samma kontakt och kabeltyp i professionella sammanhang kan användas för flera kanaler och högre samplingsfrekvens (upp till fyra kanaler med 24 bit/96 kHz).

Med USB-anslutning kan du överföra digitala ljudsignaler med mycket högre upplösning. DSD-signaler från SACD-spelare har samplingsfrekvenser i megahertzområdet.

Ljudsidan av HDMI stöder upp till åtta ljudkanaler med samplingsfrekvenser på upp till 192 kHz och 24-bitars djup.

Får vi en CD-renässans?

När CD-skivan kom ut på den svenska marknaden under första halvan av 1980-talet hyllades (och marknadsfördes) det nya mediet som efterträdaren till den föråldrade LP-skivan. Och de ständigt ökande försäljningssiffrorna för CD-skivor, samtidigt som försäljningssiffrorna för LP-skivor stadigt sjönk, tydde på att profetian var sann.

I dag är situationen den motsatta. Under de senaste åren har vinylförsäljningen varit högre än CD-försäljningen. Detta beror lika mycket på ett växande intresse för analoga medier som på ett minskande intresse för fysiska CD-skivor.

Om CD-skivan så småningom kommer att uppleva samma nostalgiska renässans som LP-skivan är en öppen fråga. För några år sedan förkunnade många hifi-tillverkare att de hade lanserat sin sista CD-spelare, men nu ser vi nya spelare med jämna mellanrum – från samma tillverkare. Författaren till den här artikeln sålde sin LP-samling för många år sedan, men har fortfarande kvar sin CD-samling. Och lyssnar huvudsakligen via streaming eller rippade musikfiler på en server.

Även om vinyl och CD kan konkurrera med varandra är den verkliga vinnaren streaming. De allra flesta väljer bekvämlighet först – och lyssnar på musik via någon av de stora musikstreamingtjänsterna.

Jitter

CD-spelare lider inte av wow and flutter på samma sätt som skivspelare, men det finns en digital motsvarighet till problemet med svajningar och instabil drift som kallas för jitter.

Jitter är tidsvariationer i den klocksignal som styr omvandlingen till analogt ljud. Eftersom digitalt ljud är beroende av exakt timing för att rekonstruera ljudet korrekt kan bitar som kommer i otakt skapa distorsion i form av så kallade artefakter som minskar klarheten. Jitter kan också leda till sämre rumskänsla och stereoperspektiv.

Jitter kan också orsakas av brus i digitala kablar mellan spelaren och DACen.

Vissa digitalomvandlare har en buffert där signalen lagras under en kort tid och sedan ”klockas om” av en dedikerad, ultrastabil klockgenerator.

Det finns ingen trappstegskurva

Ett av de mest ihärdiga argumenten mot digitalt ljud är den så kallade trappstegskurvan, som är tänkt att illustrera hur en digital signal består av en serie samplade numeriska värden för ljudnivåer. Rent visuellt säger det sig självt att en signal med det utseendet måste låta onaturlig.

Men det är inte sant. I verkligheten finns det inga sådana trappsteg.

Att den digitala signalen består av distinkta numeriska värden stämmer. Men när den digitala signalen spelas upp blir resultatet en jämn kurva som följer den analoga signalens ursprungliga vågform.

Det handlar om övertoner och medelvärden.

För att skapa den stegformade vågformen måste digitalomvandlaren först och främst ha en nästan oändligt hög gränsfrekvens, eftersom skillnaden mellan en fyrkantsvåg och en sinusvåg är just övertoner. Och frekvensområdet på digitala medier är begränsat till halva samplingsfrekvensen. Det innebär att trappkurvans branta kanter inte kan förekomma alls – och därför inte kan återges. För det andra finns dithering, som är brus som läggs till signalen för att jämna ut ojämnheter mellan de samplade värdena.

Nyquist-Shannon-teoremet

I praktiken visar det sig att även om antalet samplingar på en given våg blir få när frekvensen närmar sig gränsen för systemet (vid den översta gränsen på 20 kHz blir det bara två mätningar per svängning), så kommer vågformen som kommer ut ur omvandlaren att vara identisk med den som kom in genom filtret när signalen digitaliserades.

Det kan tyckas obegripligt att något som är praktiskt taget perfekt kan åstadkommas med en metod som har uppenbara begränsningar, men fysikerna och matematikerna E.T. Whittaker, Harry Nyquist och Claude Shannon bevisade i sitt teoretiska arbete, det så kallade Nyquist-Shannon-teoremet, att det med en samplingsfrekvens som är dubbelt så hög som signalfrekvensen går att återskapa all information i signaler med en samplingsfrekvens som är dubbelt så hög som signalfrekvensen.