Super Bit Mapping

[dekkersj]

...

[JazzLuva]

Ik heb even gezocht en vond hier een redelijk begrijpelijke uitleg over wat SBM is en wat het doet. Tenminste ik snapte het en ben een leek op technisch gebied

 

What is SBM ?

 

 

In developing DAT, Sony examined, reexamined and overturned conventional approaches to A/D conversion, D/A conversion, power supply, electronic design, chassis layout and mechanical engineering. When the Compact Disc was new, its 16-bit signal delivered the full quality of the professional digital recordings of the day. But studio recorders have long since surpassed 16-bit resolution with 20 and even 24-bit performance. As professional digital systems began to exceed the 16-bit word length of the Compact Disc, Sony engineers began to ask if it was possible to capture better- than-16-bit sound quality in a standard 16-bit medium. The result of this exploration was Super Bit Mapping (SBM@) circuitry, which Sony first launched in the K-1203 professional processor. SBM circuitry then made its audiophile debut on the DTC-2000ES DAT recorder in 1994.

 

The comerstones of psychoacoustics are the Fletcher-Munson equal- loudness curves. Understanding how we hear and what we can hear is key to digital audio's future. A very soft perceived loudness of 10 phons requires a 1 kHz tone of 10 dB SPL. To achieve the same apparent loudness, a 15 kHz tone requires about 25 dB SPL and a 20 Hz tone requires a whopping 75 dB SPL!

The conclusion? The human ear is exquisitely sensitive to sound, including noise, in the middle frequencies, but relatively insensitive to sounds at the frequency extremes. The SBM design takes advantage of the psychoacoustic fact that the human ear is far more sensitive to low-level noise in the mid-frequencies than in the frequency extremes. So SBM circuitry uses sophisticated noise shaping to shift low-level noise out of the mid-range frequencies and into the range above 10,000 Hz, where it is relatively inaudible. The overall noise energy remains the same as standard 16-bit recording. But the audible performance is equivalent to 20-bit systems! Sony shifts the noise out of the middle frequencies, where it's most audible, and up into the higher frequencies, where it's less audible. Even though the total noise energy does not change, audible noise is substantially reduced!

 

To perform the Super Bit Mapping process on analog mic and line inputs, the recorder must convert the input into a digital signal of higher than 16-bit resolution. The recorder uses a pulse A/D converter and a decimation filter to convert the analog input into a 24-bit digital signal. The 8-bit difference represents more precise quantization-additional musical information and reduced noise.

Sony's Super Bit Mapping circuit uses noise shaping filters

that mirror the frequency sensitivity of the human ear.

 

The SBM circuit uses noise shaping filters with a frequency response similar to that of the human ear. This reduces noise in the audible range, while it feeds back and reintegrates four bits of low-level data that are normally lost in the conversion to 16-bit audio. In this way, the deck records spectacular sound from analog sources. You'll hear 16-bit recordings with musical accuracy that approaches 20 bits of resolution. Music sounds more lifelike, more vivid, more clearly audible against a background of impeccable silence.

 

There's more. Because the Super Bit Mapping process is "single ended," no special playback circuitry is required. You'll get the benefit of the SBM process no matter what DAT/CD player you use!

[Werner]

SBM is gewoon dithering met noise shaping, net zoals Jan en alleman dat doet. SBM/Sony heeft dan ook geen enkel inherent voordeel op die anderen.

 

Weet je hoe en waarom dithering werkt?

[Pjotr]

Hallo Werner,

 

De crux bij SBM zit hem toch voornamelijk in de noise shaping. Gewoon een techniek om de bitresolutie te verlagen van 20 naar 16 bits om truncatievervorming te vermijden. Het heeft best wel voordelen omdat de resolutie van 20 bit in de lagere frequentieregionen behouden blijft op die manier. De prijs die ervoor betaald wordt is meer ruis in de hogere frequentieregionen. Maar omdat je gehoor daar minder gevoelig is zegt men dat het daar dus minder hinderlijk is. De hoeveelheid zooi blijft hetzelfde alleen wordt het in een hoek (of meerdere hoeken) geveegd waar het minder in de weg ligt. Zover technisch, waar het om gaat is hoe dat subjectief ervaren wordt.

 

Toen Sony er net mee kwam was dat in de audiotechniek tamelijk uniek op die manier. Nu is het idd gemeengoed. Tegenwoordig wordt dat bij iedere CD toegepast om van het 24bit @ 96kHz studioformaat terug te gaan naar 16bit @ 44.1kHz CD formaat. Over de optimale vorm van de noise shaping slaan de makers van die format converters elkaar weer de hersens in want ieder voor zich heeft natuurlijk de beste.

 

Ik kan het niet terug vinden maar misschien weet jij dat Werner. Is Sony's SBM niet veel meer dan recht toe recht aan 2e order noise shaping zonder speciaal shaping filter?

 

En SA-CD is gewoon de maximaal opgerekte vorm van SBM: Van 24 bits naar 1 bit dmv noise-shaping, meer niet.

 

[Pjotr]

Hallo Jacco,

 

Wat noise shaping is komt er kort gezegd hier op neer:

 

Als je van 24 bit terug gaat naar 16 bit dmv een quantisiser gooi je de 8 lsb's weg. Bij noise shaping gooi je die 8 bits niet weg maar tel je die 8 lsb's weer op bij het volgende sample VOOR de quantiser als foutwaarde ter correctie. Soort van digitale feedback dus. Het staat op zich los van dithering maar wordt wel gecombineerd met dithering.

 

[Werner]

En in die feedbacklus zet je een filter, de noise shaper. Anders doet het niet zo heel erg veel unieks.

 

De theorie bestaat al heel lang. Ik herinner me papers van Hawksford in 1989 of zo,

en de goede professor was zeker niet de uitvinder ervan.

 

Apogee had al heel vroeg een NS ADC. DG ook. Meridian met de 607 ook, maar ik kan me hierin vergissen.

 

Sony was inderdaad de eerste om noise shaping naar de consument te dragen in hun DATs, maar dat was lang nadat de pro-wereld al op 20+ bit opnam.

[Pjotr]

Hoe ik het begrepen heb: als je, stochastische gezien, het signaal voor de quantiser aftrekt van het signaal na de quantiser, kun je de momenten van die stochst gaat onderzoeken. Het eerste moment, het gemiddelde, zou je nul willen hebben (dan wordt de quantiser perfect lineair) en ook het tweede moment, variantie, zou je nul willen hebben (geen ruismodulatie). Je kunt nog verder gaan, waaruit blijkt dat je eigenlijk nooit het uitgangssignaal volledig ongecorreleerd kan krijgen met de ingang. Ik vraag mij serieus af of noise shaping in het frequentiedomein niet iets doet met die eerste twee momenten. Meestal zie je dan van die plaatjes (bijv. in AES) die jou vertellen dat dat niet zo is. Zou SBM alleen met noiseshaping te maken hebben? Ik hoop het niet.

 

Merk trouwens op dat met tegenkoppeling alleen (zoals bijv in sacd, delta-sigma modulator) je het digitale proces niet lineair kan krijgen (eerste moment nul), wel willekeurig klein.

 

Groet,

Jacco

Klopt min of meer, noise shaping alleen kan allerlei gecorreleerde spurs in het frequentie spectrum geven. Die spurs kun je "ont"correleren, om het zo maar te zeggen, door witte ruis (dither) voor de quantisiser toe te voegen. Daarmee verworden die spurs zelf tot ruis.

 

@ Werner,

 

Ja, het principe van noise shaping bestaat al heel lang. Zelf gebruik ik het sinds ik mij kan heugen om met 8 bits microcontrollers toch veel nauwkeurigere temperatuurregelingen te maken. Met het 7-8 bits ingebouwde PWM modulatortje van de MCU haal je dan toch een 16 bits resolutie op lage frequenties.

 

 

<EDIT>

 

En in die feedbacklus zet je een filter, de noise shaper. Anders doet het niet zo heel erg veel unieks.

Las er even overheen, maar die feedback werkt zelf als een 1e orde filter voor de quantiseringsruis omdat er een vertraging van 1 sample in zit (FB = Z^-1). Het geheel vormt dan een 1e orde HP met de kantelfrequentie op 1/2 Fs.

 

Dat doet op zich wel veel: Het resulterende signaal met lagere bitdiepte heeft dezelfde resolutie als het signaal met de oorspronkelijke hoge bitdiepte maar dan wel gemiddeld over meerdere samples, oftewel bij lage frequenties.

 

Er kunnen idd extra filterfunties in de feedback worden aangebracht om die inherente 6dB/okt een andere vorm te geven. Maar noodzakelijk is het niet voor het principe.