Alles wat je moet weten over DAC's
Een DAC (Digital-to-Analog Converter) is een circuit dat je in apparaten zoals cd-spelers, streamers en AV-receivers aantreft, maar dat ook steeds meer als standalone apparaat voorkomt. Feit is dat de DAC een belangrijke invloed heeft op de geluidskwaliteit die je set zal produceren. We hebben er al veel beschreven en getest, tijd voor een uitgebreid achtergronddossier.
Wanneer je te maken hebt met een digitale geluidsbron, heb je een DAC nodig. Zo'n DAC – in het Nederlands ook wel D/A-omzetter genoemd, of digitaal/analoog omzetter – moet immers de digitale gegevensstroom vertalen naar analoog geluid.
Dat lijkt op zich allemaal niet zo vreselijk spannend, maar schijn bedriegt. Het is namelijk zo dat er tijdens het omzetten heel wat kan mislopen. Ziedaar één van de belangrijkste redenen waarom er zoveel gehoormatige verschillen tussen de diverse DAC's bestaan.
Praktisch
Naast de gehoormatige verschillen, zijn er bovendien ook wel wat praktische zaken om rekening mee te houden als je een DAC wil aankopen – nog los van alle denkbare soorten en formaten die er op de hedendaagse markt te vinden zijn. Zullen we daar maar eens mee beginnen?
Aangezien een DAC de digitale informatie van al je digitale geluidsbronnen moet omzetten naar het analoge domein, dient hij over de juiste in- en uitgangen te beschikken. Wat de ingangen betreft, heb je de keuze uit zes soorten. Er zijn er nog meer, maar die zijn in regel enkel bruikbaar tussen apparaten van dezelfde fabrikant.
Of ze zijn zo goed als uitgestorven, zoals FireWire. De zes soorten waar we het hier over willen hebben zijn: optisch, coaxiaal, XLR (AES/EBU), I2S, HDMI, USB.
Coaxiaal & Optisch
De optische en coaxiale aansluitingen zijn beiden gebaseerd op het S/PDIF (Sony/Philips Digital Interconnect Format) formaat. Een coaxiale kabel maakt een elektrische verbinding, en heeft aan beide kanten een RCA-stekker. Een optische kabel stuurt echter alleen lichtpulsen door. Er is dan geen elektrische verbinding tussen de twee apparaten. Aan de uiteinden van een optische kabel zitten Toslink stekkers. Feit is dat een optische verbinding geen last heeft van eventuele RF-invloeden en dat deze ook geen brom – voor zover die aanwezig is in het signaal – doorgeeft.
Daarbij is het ook goed om weten dat de doorvoercapaciteit van coaxiale en optische verbindingen zo zijn limieten kent. Stereo signalen tot 96 kHz/24 bit vormen geen probleem, maar meer dan dat krijg je er niet zomaar – lees: technisch zou het wel kunnen, maar het is niet toegestaan – doorheen. Wat surround betreft, krijg je wel nog de oudere Dolby Digital- en DTS-formaten door zo’n kabel geperst, maar de moderne Dolby True HD- en DTS-HD varianten kan een coaxiaal/optische verbinding niet bolwerken.
AES/EBU & I2S
Een AES/EBU verbinding over XLR zou in theorie nog iets beter kunnen klinken dan een optische- of coaxiale aansluiting, omdat het hier om een gebalanceerde verbinding gaat. De voordelen hiervan manifesteren zich echter pas op grotere afstanden – een gebalanceerde verbinding is dan betrouwbaarder –, wat concreet betekent dat ze binnen de huis- of luisterkamer niet beter klinken dan een optische- of een coaxiale verbinding.
De limieten qua doorvoercapaciteit die voor coaxiaal en optisch gelden, zijn hier evenzeer van toepassing. Sowieso komt het AES/EBU formaat niet zoveel voor op consumentenapparatuur. Datzelfde geldt in nog sterkere mate voor de I2S verbinding. Hoewel dit een prima methode is om digitale data te transporteren – omdat de klokdata gescheiden wordt van het eigenlijke audiosignaal - wordt ze in de praktijk nauwelijks gebruikt.
To HDMI or not to HDMI?
Over naar HDMI. Dat is binnen een moderne AV-omgeving het meest gebruikte aansluitformaat. Desondanks zal je op een standalone DAC doorgaans tevergeefs naar HDMI-poorten zoeken. Als je dus had gedacht dat je het geluid van al je digitale bronnen – dus ook de bronnen met HDMI-uitgangen, zoals een tvsettopbox en een gameconsole – door je standalone DAC kon laten omzetten naar analoog, dan kom je bedrogen uit. In de praktijk zal dat allemaal wel meevallen, omdat de meeste van die apparaten naast een HDMI-uitgang ook over een coaxiale en/of optische uitgang beschikken.
Apparaten die surroundgeluid in hoge resolutie produceren – denk aan een blu-ray speler – kunnen dat geluid, gesteld dat het in digitale vorm moet blijven en dat je niet tevreden bent met een 'gedownsampled' afkooksel, enkel uitvoeren via een HDMI-poort. Maar het is niet alleen zo dat er geen losse DAC’s bestaan met HDMI-ingangen – OK, soms wordt er wel eens een HDMI-poort gebruikt voor I2S transmissie, maar dat is echt iets heel anders (zie hierboven) –, het is daarbij ook zo dat er geen standalone DAC’s zijn die overweg kunnen met surround geluid. Meerkanaals DAC's die dit kunnen vind je wel binnenin AV-receivers of -processors, en meestal ook in het bronapparaat zelf.
USB: Asynchroon, graag!
Sinds enkele jaren is ook USB sterk in opkomst als methode om digitale muziek te transporteren. We hebben het in dit geval dan concreet over een USB-connectie tussen een pc of een Mac en een DAC. Binnen het USB Audio protocol bestaan er drie modi om de overdracht van audiosignalen te regelen: synchroon, asynchroon en adaptief. In het eerste geval regelt het bronapparaat – lees: de pc of de Mac – de timing van het signaal. En in het laatste geval is het eigenlijk – even kort door de bocht – de datastroom zelf die de timing regelt. Geen van beide situaties is wenselijk, omdat ze resulteren in een overschot aan jitter. We komen zo terug op dit fenomeen.
Wat je dus wil hebben, is een USB-interface met een asynchrone signaaloverdracht. Daarbij is het namelijk de klok in de DAC die de lakens uitdeelt. Vervolgens dien je nog een onderscheid te maken tussen USB Audio Class 1 en -Class 2. USB Audio Class 1 is de oudste variant van de twee, die een datarate tot 24 bit/96 kHz toestaat. Met de nieuwere USB Audio Class 2 norm wordt dat opgetrokken tot 24 bit/192 kHz. Om een USB-verbinding tussen een pc/Mac en een DAC op de rit te krijgen, zal je vaak eerst nog de nodige drivers moeten installeren.
Even samenvatten? In het ideale geval beschikt je DAC over meerdere optisch- en coaxiaal digitale ingangen, over minstens één XLR-ingang (AES/EBU), een I2S poort en een USB-poort die asynchrone datatransmissie toelaat en die voldoet aan de USB Audio Class 2 norm. Daarbij is het bijzonder handig dat je met één of andere afstandsbediening – infrarood of een appje op je iOS of Android apparaat – de gewenste ingang kunt kiezen. In sommige gevallen kan de juiste ingang ook gekozen worden door een ‘auto sensing’ systeem, waarbij de DAC dan kiest voor de ingang waar hij een actief signaal op hoort.
Uitgangen
Wat de uitgangen betreft, is het verhaal een heel stuk eenvoudiger. Wat je nodig hebt is een paar RCA-uitgangen (cinch), eventueel aangevuld met een koppel gebalanceerde uitgangen op XLR. En als je een hoofdtelefoonliefhebber bent, is een uitgang (liefst op het frontpaneel) in het stereo jack formaat natuurlijk een aardig pluspunt.
Nog meer features?
We hebben het al gehad over de gewenste in- en uitgangen op een DAC en over een manier om te schakelen tussen de verschillende ingangen. Qua features hebben we het dan eigenlijk wel zo'n beetje gehad. Tenzij je wil dat je DAC tegelijk ook dienst doet als voorversterker. Je kan de voorversterker/DAC dan rechtstreeks aansluiten op een eindversterker of op een stel actieve luidsprekers. Sowieso heb je dan een volumeregeling nodig en kan het ook wel handig zijn om te beschikken over enkele analoge audio ingangen. Want hoe ga je anders je analoge bronnen in het geheel betrekken?
Belangrijk is dat je het onderscheid maakt tussen een digitale en een analoge volumeregeling. Een digitale volumeregeling gooit namelijk doodleuk bits weg op het moment dat het volume niet voluit open staat. Hoe stiller je het volume zet, hoe groter het kwaliteitsverlies. Nu zijn de meeste digitale volumeregelcircuits bij de betere DAC's tegenwoordig ontworpen volgens het 32-bit floating point met dithering model, dus blijft het kwaliteitsverlies wel binnen de perken. Desondanks is en blijft de analoge volumeregeling nog steeds superieur.
Geluidskwaliteit
De geluidskwaliteit die je van een DAC mag verwachten heeft veel te maken met diens capaciteiten om jitter te voorkomen. Maar dat is uiteraard niet het enige. Zo is ook de kwaliteit van het analoge gedeelte dat na de eigenlijke DAC-omzetting komt van groot belang. En natuurlijk zullen ook de maximale bitdiepte en sampling frequentie die de DAC kan verwerken een rol spelen...
Over Sauron & Darth Vader
De ultieme slechterikken in het verhaal. De geachte heerschappen uit bovenstaande kop zijn dat respectievelijk in de Lord of the Rings-trilogie en in de Star Wars-franchise. En jitter is dat binnen het domein van de digitale audio. Jitter is een soort vervorming die te wijten is aan kleine foutjes in de timing van het audiosignaal. Dergelijke foutjes ontstaan onder meer tijdens het digitaal/analoog conversieproces. Bij een teveel aan jitter ontstaat een agressiever, harder en scherper geluid, dat minder natuurlijk aandoet en dat bijgevolg het luisterplezier nogal onderuit kan halen.
Om er voor te zorgen dat de hoeveelheid jitter zo laag mogelijk blijft, zijn de werking en de correcte implementatie van de zogenaamde klok – het is feitelijk ook een klok – in de DAC van het grootste belang. Zo'n klok controleert de timing van elke individuele sample. Dat gebeurt maar liefst 44.100 keer per seconde bij een 44.1 kHz signaal, en nóg veel meer bij hoge resolutie materiaal. Afwijkingen in de timing die niet groter dan zijn dan enkele picoseconden - een picoseconde is amper één biljoenste van een seconde – kunnen al hoorbaar zijn. De klok zit dus ingebouwd in de DAC, maar sommige fabrikanten van high-end DAC's bieden ook de mogelijkheid om een externe klok aan te sluiten. Hoe dan ook moet je uitkijken met claims over jitterwaardes. Er bestaat hier namelijk geen gestandaardiseerde meetmethode voor(!).
Sampling frequentie
De sampling frequentie die tijdens het opnameproces gehanteerd wordt, bepaalt hoeveel stalen ('samples') er elke seconde van het muzieksignaal worden genomen. Hoe groter dat aantal, hoe beter de originele analoge golfvorm zal kunnen gereconstrueerd worden. En dus hoe beter de geluidskwaliteit. Klinkt logisch, maar er zit een addertje onder het gras. Daar hebben we het zo meteen over.
Een sampling frequentie van 44.1 kHz – waarbij er dus 44.100 samples per seconde van het signaal worden genomen – wordt beschouwd als ‘de norm’. Alles wat daaronder zit, is – even in alle ernst - geen hifi. Alles wat daarboven zit, wordt omschreven als hoge resolutie materiaal. In de praktijk worden echter zelfs 256 kbps mp3-audiobestanden van 44.1 kHz die je kan kopen in online winkels door gewetenloze marketinglui al omschreven als ‘hoge resolutie’.
Nyquist-Shannon
Wanneer er een sampling frequentie van 44.1 kHz gebruikt wordt, dan is de maximaal toegelaten audiofrequentie in het signaal precies de helft daarvan, namelijk 22.05 kHz. Als je tegen die regel zou zondigen, dan zullen er hoorbare 'aliasing' stoorsignalen in het frequentiegebied onder de 22.05 kHz opduiken. En dat willen we niet hebben, natuurlijk. Geleerde mensen in witte jassen omschrijven dit fenomeen als het bemonsteringstheorema van Nyquist-Shannon. Harry Nyquist heeft het als eerste omschreven en Claude Shannon heeft het achteraf links en rechts vervolledigd.
De helft van de bemonsteringsfrequentie – hier dus 22.05 kHz – wordt ook omschreven als de Nyquist frequentie. Nu je dit weet, kun je zonder enige schroom een DAC gaan kopen. De verkoper zal namelijk meteen door hebben dat hij met een kenner te maken heeft en zal je met het grootst mogelijke respect behandelen. Mogelijk levert het je zelfs een gratis bak koffie op.
Vermenigvuldigen en Delen
Maar we hadden het over sampling frequenties. Tegenwoordig zijn met name de hoge resolutie frequenties the talk of town. Denk hierbij aan frequenties zoals 88.2 kHz, 96 kHz, 176.4 kHz, 192 kHz en 352.8 kHz. Het is daarbij helemaal niet toevallig dat 88.2 precies het dubbele is van de 44.1 cd-standaard. En dat 176.4 en 352.8 daar weer veelvouden van zijn. 96 kHz is dan weer precies het dubbele van 48 kHz (een standaard uit de professionele opnamewereld), met 192 kHz als logische verlengstuk. De reden daarvoor zit hem in het feit een processor er niet al teveel moeite mee heeft om de sampling frequentie één of meerdere keren te verdubbelen of te delen door twee. Een omzetting van 44.1 kHz naar 88.2 kHz is bijvoorbeeld veel gemakkelijker dan het omrekenen van een 44.1 kHz signaal naar 48 kHz.
Addertjes
Maar kan het ons eigenlijk wel wat schelen als zo’n processor wat meer moet zweten bij zijn rekenwerk? Toch wel. Want naarmate de berekeningen complexer worden, is de kans op foutjes in de timing – lees: jitter – groter. Zelfs als er niet omgerekend hoeft te worden, neemt het risico op timingfoutjes ook toe naarmate de sampling frequentie verhoogt. En daar zit dus dat addertje waar we het daarstraks al over hadden. Want een hogere sampling frequentie zorgt er in theorie inderdaad voor dat de analoge golfvorm nauwkeuriger kan gereconstrueerd worden, maar dat positieve effect kan worden tegengegaan doordat de kans op fouten in de timing toeneemt.
Dat begint trouwens al in de opnamestudio. Niet bij elke productie worden immers topklasse ADC's – analoog/digitaal omzetters: zoals een DAC, maar dan omgekeerd – ingezet. En hoe minder de kwaliteit van de ADC, hoe groter het aantal timingfouten dat zal ontstaan bij hogere sampling frequenties. Daarbij is het ook zo dat digitale 44.1 kHz opnames die tijdens de postproductiefase, soms vele jaren na de eigenlijke opnames, worden geupsampled naar hogere frequenties, weliswaar aantrekkelijke getallen opleveren ('Echte audiofiele hi-res muziek in 192 kHz, zo hoorde je de – vul hier een groepsnaam naar keuze in – nooit eerder!'), maar dat de geluidskwaliteit daarom niet beter is.
Hoge Resolutie & Upsampling
Ondanks alle bedenkingen die we hierboven formuleerden, hebben hoge resolutiebestanden wel degelijk het potentieel om beter te klinken dan standaard 44.1 kHz materiaal. Dat komt omdat de digitale filtering – die is noodzakelijk om aliasing te vermijden, zie ook het stukje onder 'Nyquist-Shannon'–zich bij hoge resolutiebestanden veel verder buiten het hoorbare frequentiegebied situeert.
In het geval van een 44.1 kHz signaal laat de digitale filtering alle informatie door tot 20 kHz, waarna het signaal met maar liefst 100 dB dichtgeknepen wordt tegen dat het 22.05 kHz punt bereikt is. Een heel straffe – in vakjargon 'steile' – filtering, dus. Helaas leidt zo'n extreme filtering tot een minder goede weergave van het (hoorbare) frequentiespectrum onder de 20 kHz. Als de samplingfrequentie hoger ligt– bijvoorbeeld op 96 kHz –, dan hoeft het filter veel minder steil te zijn, en zal de negatieve invloed op het geluidsignaal veel kleiner zijn.
Dit fenomeen is trouwens ook de bestaansreden van upsampling. Dat is een techniek waarbij een digitaal bronsignaal omgerekend wordt naar een hogere samplingfrequentie. Dat levert geen nieuwe geluidsinformatie op – het principe is hetzelfde als wanneer je een digitale foto vergroot: je krijgt dan ook geen nieuwe beeldinformatie te zien –, maar het zorgt er wel voor dat de digitale filtering minder schade aanricht. En dus hou je een betere geluidskwaliteit over.
OK, maar wat als we nu alle voor- en nadelen – vooral: toename van omrekenfouten versus superieure digitale filtering – van de verschillende sampling frequenties tegen elkaar afwegen? Kunnen we dan achterhalen welke de ideale sampling frequentie is?
Dat kan, al is er best nog wel enige discussie over welke frequentie dat dan precies moet zijn. Maar het is wel zeker dat deze niet lager is dan 44.1 kHz en niet hoger dan 96 kHz.
Bit-diepte
Net zoals er een soort basisnorm bestaat voor de sampling frequentie – 44.1 kHz –, is er ook zo'n norm voor de bitdiepte. Die norm – net zoals de 44.1 kHz sampling frequentienorm is deze afkomstig uit het cd-formaat – bedraagt 16 bits. Een muzieksignaal met een bitdiepte van 16 bits laat een dynamisch bereik tot 96 dB toe. Dat is al heel wat, maar het is natuurlijk altijd wel zo prettig om nog enige reserve te hebben.
Een 24 bits bestand zorgt daar met z'n dynamische capaciteit tot 144 dB ten overvloede voor. Daarbij is het ook zo dat in een 16 bits signaal 'slechts' 60.000 volumestapjes mogelijk zijn, terwijl dat bij een 24 bits signaal al meer dan een miljoen stapjes zijn. Een bitdiepte van 24 bits heeft dus zeker zijn voordelen tegenover 16 bits. Het is voor niets dat in opnamestudio's 24 bits al lang als norm gehanteerd wordt. Muziek in het 32 bits formaat is in theorie nog beter, maar in de praktijk is ons gehoor niet goed genoeg om daar enig voordeel uit te halen.
En DSD dan?
Het DSD-formaat – DSD staat voor Direct Stream Digital – werd door Sony en Philips ontwikkeld voor het sa-cd formaat. De sampling frequentie van DSD bedraagt maar liefst 2.8224 Megaherz. Dat wil zeggen dat het analoge signaal zo maar eventjes 2.8224 miljoen keer per seconde wordt gesampled. De bitdiepte bedraagt één bit. Dat lijkt schrikbarend weinig, maar het werkingsprincipe is anders dan bij de 'gewone' PCM (Pulse Code Modulation) digitale audiobestanden. Het is bij een DSD-signaal zo geregeld dat wanneer de amplitude toeneemt, de bitwaarde één is. En als de amplitude afneemt, dan is debitwaarde nul. Feit is dat DSD de potentie heeft om gevoelig beter te klinken dan 16 bit/44.1 KHz PCM. Nu streaming audio definitief een plaats heeft ingenomen binnen de high end audio gelederen, gaat ook de techniek met grote stappen vooruit. Steeds meer muziekliefhebbers (her-)ontdekken hun digitale collectie en DSD is steeds toegankelijker geworden.
Met een DAC die DSD-signalen kan omzetten, zou je in theorie twee dingen kunnen doen. De DAC zou kunnen worden ingezet om de digitale audio van je sa-cd schijfjes om te zetten naar het analoge domein en hij kan gebruikt worden om DSD-bestanden die je online koopt weer te geven. Dat van die sa-cd speler zal je echter niet zomaar geregeld krijgen, want er zijn geen consumerapparaten op de markt met een digitale audio uitgang in het DSD formaat. Daarbij is het online aanbod van DSD-bestanden ook erg beperkt te noemen. En als je toch DSD-bestanden aankoopt, dan ben je verplicht om de computer als bron te gebruiken, en om deze te koppelen aan de DAC via een USB-verbinding. Je DSD’tjes weergeven door middel van een streamer is dus ook al niet mogelijk...
Conclusie
Als je van plan bent om een DAC aan te schaffen, let er dan om te beginnen op dat deze over voldoende ingangen beschikt, zodat je al je digitale stereobronnen naar behoren kunt aansluiten. Een afstandsbediening om te schakelen tussen de verschillende ingangen is handig, maar niet noodzakelijk. Wat de geluidstechnische kant van de zaak betreft is het slim om voor een model te kiezen dat compatibel is met zoveel mogelijk verschillende sampling frequenties en bitdieptes.
Voor het overige kan je een goed klinkende DAC niet als dusdanig identificeren op basis van de specificaties. En ook niet op basis van de gebruikte chipset. Het verdient stevige aanbeveling om de nodige recensies door te nemen en om op basis daarvan een shortlist te maken van enkele apparaten. Die kan je dan bij de hifi-dealer gaan beluisteren, om zo tot een definitieve keuze te komen. Happy hunting!