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Comment fonctionne un DAC ?
 

Un DAC est un circuit qui convertit la mesure numérique par étapes discontinues de l’amplitude audio en un signal électrique analogique continu équivalent au son à reproduire. L’amplitude est un nombre numérique (comme un mot de 16 bit) et les étapes son corrélées au taux d’échantillonnage (comme 44100 fois par seconde). Le travail du DAC est de recréer une amplitude électrique au niveau parfaitement exact spécifié par la musique. En d’autres termes, chaque seconde 44100 mesures (donc discontinues) d’un niveau électrique (la musique) doivent être précisément transformées en 44100 impulsions électriques qui mises bout à bout donneront l’illusion d’un signal continu (une seconde de musique) et ainsi de suite. On comprend aisément que chaque erreur de conversion par le DAC de l’une des 44100 mesures du niveau électrique donnera une mauvaise reproduction de l’amplitude sonore (la musique). Rien n’étant parfait aucun DAC ne traduit précisément les mesures (44100 par seconde) en des amplitudes électriques parfaites (44100 par seconde). On peut donc considérer en théorie que chaque fraction de seconde de musique produite par un DAC est entachée d’imprécision. Heureusement il existe un niveau d’imprécision à partir duquel nul ne perçoit la différence. Voici pourquoi le niveau de précision d’un DAC est fondamental à la musicalité (fidélité) et, sur ce plan, toutes les techniques ne se valent pas et tous les DAC encore moins. Il est même commun de dire que le niveau d’imprécision des convertisseurs grand public, même 30 années après leur généralisation, est totalement aberrant. D’où l’absence caractéristique de toute sensation analogique à l’écoute de fichiers numériques.
Pour étendre le raisonnement à un autre domaine que celui du DAC on peut aussi évoquer la question de la lecture des 44100 échantillons de 16 bit chaque seconde. Chaque fois qu’une erreur de lecture se produit, le DAC sera alimenté avec une mauvaise mesure qu’il traduira lui aussi parfois assez mal éloignant encore plus le résultat de l’original. Voici comment on peut en arriver à une fatigue compréhensible à l’écoute d’un support numérique en comparaison à un support analogique. Si l’on ajoute à tout cela le grand nombre de corruptions du signal que les convertisseurs accumulent encore (jitter, filtrage, conversion courant tension, étages analogiques etc), on réalise mieux le fossé qui sépare ces deux mondes sur le plan du plaisir musical. Evidemment il est plus complexe de décoder un CD que de lire un vinyle mais il serait illusoire de croire que l’un l’emporte sur l’autre de manière systématique ou, tout du moins, sur tous les critères. Il serait tout autant illusoire de croire qu’une source analogique donne un signal continu, rien ne l’est dans la nature et cette loi de la physique vaut aussi pour la lecture analogique quelle qu’elle soit. Nombre de raisons techniques et de mauvais choix technico-commerciaux font que la majorité des DAC du marché ne peuvent pas être fidèles ou que votre CD ne peut pas être lu parfaitement.
Chez MSB, nous fabriquons des DAC depuis 25 ans, pas seulement les appareils mais surtout les circuits de conversion proprement dits, et nous savons ce qu’il s’y passe contrairement à la quasi totalité des fabricants de convertisseurs du monde audiophile. Voici un petit aperçu de ce que nous connaissons et qui pourra vous rendre les choses plus claires sur l’état de la technique actuel.

Le procédé de conversion ressemble pour beaucoup à un tapis roulant sans fin avec des récipients de un litre disposés dessus à intervalles réguliers et se déplaçant vers une station de remplissage. La taille des récipients est fixe et le rythme auquel ils passent est déterminé par le taux d’échantillonnage. Comme le montrent ces illustrations, le travail du DAC est de remplir chaque récipient au niveau parfaitement exact spécifié par la musique.
Il existe trois techniques pour accomplir ce travail : Delta/Sigma, Ladder (échelle) et le procédé MSB Sign Magnitude Ladder.



Delta Sigma DACs (Single Bit)

Chaque échantillon ou récipient est rempli au plus juste niveau au moyen d’un grand nombre de verres versés jusqu’au niveau visé. Un verre de « un bit » est soit plein soit vide. Avec un oversampling de 64 fois, le verre est égal à 1/64ème du volume du récipient. Sachant que le verre devrait contenir 1/16777216ème du volume du récipient pour obtenir une précision parfaite, on peut considérer que la précision du remplissage laissera grandement à désirer. Cette fraction de 1/17 millionièmes correspond à un seul bit si le volume total est divisé en 24 bit. Heureusement les progrès techniques offrent un oversampling plus puissant (128 à 256) et les DAC D/S font parfois appel à plusieurs bit de définition (2, 4 ou même 6 pour les plus actuels en 2010) c'est-à-dire plusieurs tailles de verre. Il n’en reste pas moins que la précision mathématique n’est pas au rendez-vous. La taille du plus petit verre dans un DAC 24 bit à échelle MSB approche les 1/16777216ème.

Mention sur la technique du Ring DAC employée par certains fabricants : Le meilleur moyen de limiter l’imprécision d’un DAC Delta Sigma est d’en utiliser plusieurs et d’en moyenner les sorties individuelles. Les erreurs produites par un D/S étant aléatoires par nature, la multiplication en boucle a tendance à réduire l’erreur moyenne. C’est ce que nous faisions dans notre Gold Link DAC il y a 12 ans.

La vitesse de défilement du tapis roulant correspond au taux d’échantillonnage (44100 ou 48000 ou plus par seconde), 44100 récipients se présentent chaque seconde pour être remplis de la quantité d’eau la plus précise possible correspondant à la mesure indiquée par le code numérique de 16 bit (l’échantillon est donc transformé en impulsion électrique).

En gardant un comptage des erreurs et en allant un peu au dessus et un peu au dessous dans un très grand nombre d’échantillons, une moyenne très précise parvient à être obtenue mais seulement eu prix d’un filtrage agressif appliqué à la sortie. Le résultat reste un « résultat précis en moyenne » plutôt que précis à chacun des 44100 niveaux.

 

Ladder DAC

Un DAC à échelle est différent dans le sens où, à la place de verres uniques comme instrument de remplissage (Single Bit), un large panel de verres est disponible du plus petit au plus grand. Toutes les combinaisons de verres peuvent être utilisées pour remplir le récipient exactement au juste niveau. Aucun filtrage en sortie n’est nécessaire mais la précision est définie par l’erreur cumulée de tous les verres utilisés.
Ce procédé est déjà très performant et la précision mathématique est satisfaisante, le coût de production est élevé.

 

MSB Sign Magnitude Ladder DAC

Il s’agit d’un DAC à échelle mais raffiné de deux manières. Parce que les récipients ressortent typiquement (en moyenne) à moitié pleins nous commençons avec des récipients remplis exactement à la moitié plutôt que vides. A partir de là nous utilisons à nouveau un très large panel de verres de mesure pour ajouter ou enlever de chaque récipient.
Encore une fois, chaque récipient étant rempli avec grande précision, aucun filtrage en sortie n’est appliqué car nous n’avons dû ajouter ou soustraire qu’une infime quantité.
Parce que notre audition est très sensible aux sons de faible niveau, sons proches justement du niveau moyen ½ remplissage, nos convertisseurs sont le plus précis aux niveaux proches du ½ remplissage, là où nous utilisons les verres de mesure plus petits ou les plus précis.

 

Au Sujet de l’Upsampling :

Le sur échantillonnage synchrone comme le pratique MSB signifie juste que des récipients sont ajoutés entre chaque récipient d’origine et que le tapis tourne plus vite (96000 fois par seconde au lieu de 48000 par exemple). Les échantillons, représentés par les récipients, se suivent et évoluent dans le même sens puisque mis bout à bout ils forment une onde caractéristique. Ceci permet d’obtenir de plus petits pas et une onde plus linéaire comme illustré ci dessous. Il est facile de calculer précisément à quel niveau ils doivent être remplis en se basant sur les récipients d’avant et d’après.
L’importance du sur échantillonnage synchrone est d’ajouter de nombreux échantillons intermédiaires en ne remplaçant surtout pas les échantillons d’origine comme le ferait un procédé asynchrone.
 

Au Sujet du Jitter :

Le Jitter est une variation de la vitesse du tapis roulant. Avec un DAC Delta Sigma la quantité d’eau entrant dans le récipient est dramatiquement affectée par la vitesse du tapis car tout le cycle est occupé au remplissage avec de tout petits verres versés les uns après les autres. Dans le cas du Ladder DAC, toute l’eau est versée dans le récipient en même temps et même si celui-ci est un peu en retard ou un peu en avance, la quantité versée reste précise. C’est la raison pour laquelle le problème du Jitter ne s’est véritablement manifesté qu’après l’apparition des convertisseurs Delta Sigma sur le marché dans les années 90.
 

L’HISTOIRE DU CONVERTISSEUR NUMERIQUE ou DAC Digital to Analog Converter :

Dans les années 1980 les premiers DAC étaient tous des DAC à échelle de 16 bit équipés d’une résistance calibrée au LASER recréant le niveau analogique approprié (amplitude) pour chacun des 16 bit. Ces convertisseurs fonctionnaient bien et sonnaient bien. Certains modèles de chez Philips portant la fameuse « couronne » sont encore dans les mémoires pour leur précision et leur musicalité. Ils étaient très chers à produire car des résistances très précises étaient requises. Puis arrivèrent les DAC « Single Bit » ou « One Bit ». Plutôt que d’utiliser des résistances pour recréer un niveau analogique (une amplitude) on fît appel à la Modulation de Largeur d’Impulsions MLI ou PWM (Pulse Width Modulation). Chaque échantillon était traduit en amplitude en tournant un interrupteur On et Off pendant la durée appropriée, ou presque... L’onde en marches d’escalier obtenue était lourdement filtrée (moyennée) pour créer une courbe douce (plus linéaire). Les résistances trop coûteuses avaient disparu et avec elles la performance musicale, mais le grand public avait sa technologie bon marché pour l’avenir. Ensuite arrivèrent les DAC Delta/Sigma. Ils utilisaient la même technique PWM mais au lieu de créer une seule large impulsion pour chaque point de donnée (échantillon ou remplissage du récipient), le point de donnée était désormais crée par un grand nombre de petites impulsions. Ceci permît de linéariser l’onde au moyen d’un filtre moins radical et d’améliorer le son. L’on comprend donc pourquoi le sur échantillonnage du signal d’entrée vers une plus grande fréquence réduit les besoins de filtrage et améliore le son. De la même manière, plus les amplificateurs à découpage (PWM) sont rapides et moins il est nécessaire de filtrer la sortie et donc mieux ils sonnent. A partir de ce moment, tous les circuits de convertisseurs intégrés dans des puces devinrent Delta Sigma : bas prix et performances à l’avenant.

Le Platinum fonctionne sur la base de l’ancienne technique du DAC à échelle mais avec un niveau d’évolution et de raffinement incomparable. Le Platinum de base contient quatre DAC MSB 24 bit. Il est totalement symétrique si bien qu’il contient une paire de DAC appariés par canal, un pour le signal non inversé et un pour le signal inversé. Finalement chaque canal utilise un DAC à échelle R2R avec un signe négatif de 23 bit et un DAC à échelle R2R avec un signe positif de 23 bit. Ensemble ils forment un vrai convertisseur 24 bit. Cette architecture permet aux signaux les plus faibles de la musique de rester fidèles à l’original sans les erreurs de linéarité rencontrées à bas niveau dans les DAC à échelle classique ou Delta/Sigma. Avec deux fois 24 bit de résolution combinée, une source 24 bit donne 24 bit de résolution véritable sans les pertes et les erreurs qui font que les DAC 16 ou 24 bit classiques offrent une performance bien inférieure à leur résolution nominale (un DAC de 16 bit offre généralement un maigre 12 bit de résolution effective).

Aucun DAC possédant le niveau de précision requis et exempt de filtrage analogique n’est proposé dans le commerce. De nos jours l’essentiel des DAC sont des Delta Sigma livrés en circuit regroupant le Sample Rate Converter, le filtrage numérique d’entrée et le DAC sans possibilité de rien faire évoluer. C’est pourquoi MSB produit ses propres modules incluant des circuits logiques et des résistances calibrées de très haute précision. Le résultat est un rapport signal bruit jusqu’à 140dB et une distorsion proche de la limite théorique d’une source 24 bit. Ces mesures sont difficiles à établir sur nos versions Signature car trop reculées pour les instruments de mesure et totalement impossible pour notre version Diamond.

 
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