Bitstream versus lpcm

in Achtergronden (1.259) | Streaming (78) | Technisch (61) |


PCM omzetting

Wie een blu-ray speler bezit – of wellicht een game-console – zal weleens bij de geluidsopties de keuze hebben gehad tussen lpcm en bitstream. Niet iedereen zal weten wat het verschil is. En wat de voor- en nadelen van deze manier van uitsturen zijn. Wij duiken in de whitepapers en zetten het voor u op een rijtje.

Het is handig om bij complexere materie bij de basis te beginnen. Toen de cd zijn intrede deed, kwam de term pcm regelmatig naar boven. Pcm staat voor Pulse Coded Modulation. Dit is een technologie die al in de jaren ’20 van de vorige eeuw is ontwikkeld. Destijds gebruikten ze nog een mechanische a/d-converter. En dat zorgde uiteraard voor wat vervorming en problemen. Echter: het geeft aan dat de technologie al behoorlijk oud is.

Bits en samplerate

PCM omzetting

Het omzetten van een analoge golf naar PCM: Pulse Coded Modulation. (Bron: http://homepage.mac.com)

Bij pcm – vanaf nu lpcm, omdat dit een variant op pcm is – is er altijd een bitgrootte en een samplingfrequentie. De samplingfrequentie staat voor hoe vaak de a/d-converter ‘snapshots’ maakt van het analoge signaal. De bitgrootte geeft vrijheid in het dynamische bereik, omdat het aangeeft hoeveel stappen of niveaus een sample kan bevatten. Een 16 bits sample heeft bijvoorbeeld 65536 niveaus (2 tot de macht 16).

Klokken
Wat bij alle vormen van lpcm essentieel is, is een kloksignaal. Immers: de samples zijn op een bepaald moment genomen, en moeten dus ook weer op het juiste moment terug omgezet worden. Het signaal dat ervoor zorgt dat alle samples op het juiste moment weer geconverteerd worden, heet het kloksignaal

Dit kloksignaal zit niet per definitie in de digitale opname verwerkt. Echter, om het wordt wel meeverstuurd als de data wordt uitgelezen. Dit kloksignaal zit onder meer in het i2s-signaal dat bijvoorbeeld een cd-loopwerk via een controllerchip naar de dac stuurt. Indien de dac intern is, wil het nog weleens via een i2s-interface gaan. Dan blijft keurig de data en klok(ken) gescheiden. Als er een externe dac gebruikt wordt, is het vaak een spdif-signaal dat het loopwerk verlaat. Dan wordt data en klok samengevoegd in één signaal. Er zijn echter ook dacs die i2s accepteren. Dat geniet dan natuurlijk de voorkeur.

Voorbeeld van een superklok die voor ultra lage jitter zorgt. Deze zit in de Tentlabs b-DAC.

Het is erg belangrijk dat het kloksignaal stabiel is en blijft. Is dat niet het geval, dan ontstaat jitter. Jitter staat voor een afwijking in een signaal dat constant hoort te zijn. Jitter heeft als gevolg dat er amplitudefouten ontstaan in de analoge golf. Immers: de sample wordt te vroeg of te laat omgezet. En hoe hoor je dat? Eerlijk gezegd niet echt als je nooit een cd-speler of dac hebt gehoord die jitterarm is.

Platter
Jitter geeft dus amplitudefouten. Dat kan onder meer tonale tonale veranderingen meebrengen, alsmede luidheidsverschillen. Echer: om dát te horen moet de jitter toch wel behoorlijk hoog zijn. Denk aan 100 ps (100 picoseconden) of wellicht nog hoger: 200 ps. Redbook geeft aan dat jitter niet hoger mag zijn dan 100 ps, omdat er dan ook een bitfout kan optreden.

Wat wij hebben gemerkt, is dat er niet alleen tonale fouten ontstaan – als die al hoorbaar zijn -, maar ook onrust, definitieverlies en beeldvormings-‘fouten’. Een dac met aardig wat jitter (in onze opinie >40 ps), klinkt grover in het midden- en hoogfrequente gebied en weet ook vaak niet de luchtigheid te brengen van een dac met lage jitterwaarden.

Bitstreamen
U hebt nu een idee hoe het lpcm-signaal in elkaar zit en wat er belangrijk is voor het goed functioneren ervan. Bitstream werkt heel anders.

Playstation 3

Ook de Playstation 3 kan via bitstream uitsturen. En dat klinkt uitstekend!

Bij bitstreamen staat het loopwerk via de hdmi-kabel in wezen in direct contact met de receiver. De data gaat zonder bewerking door de hdmi-kabel naar de receiver die het decodeert en vervolgens omzet. Dat heeft als voordeel dat er een signaal over de hdmi-kabel gaat dat immuun is voor jitter: DTS, DTS HD (MA) en Dolby-data bestaat uit datapakketten en niet zozeer samples.

Mede doordat deze formaten ge-encodeerd zijn en dus niet ‘ruwe’ sampledata bevatten, is het gemakkelijk te transporteren door een kabel, zonder dat er verlies optreedt. Om een idee te geven: Dolby gebruik de Meridian Lossless codec bij True HD. Door samples door een codec te halen en elk datapakket van een header met sync-info te voorzien, is het veel gemakkelijker om audiodata zonder verlies en timing-problemen te transporteren. En dat is precies wat bitstreamen mogelijk maakt.

Wel een klok

bitstream via hdmi van videokaarten

Ook met de pc is het mogelijk via bitstream audio te sturen naar een receiver. De meeste videokaarten hebben nu een hdmi-uitgang die dat toelaat.

Het is niet zo dat als je gaat ‘bistreamen’ dat er geen kloksignaal meer nodig is. Er gaat nog wel degelijk een kloksignaal over de (hdmi)kabel. Dit tmds-kloksignaal (Transition Minimized Differential Signaling) heeft  echter een algmene taak om de sturende en ontvangende kant te locken op een bepaalde frequentie. Het principe van tmds is dat audio, video en overige data over dezelfde kabel gaan, ge-encodeerd volgens 8b/10b encoding, maar dat ze allemaal hun eigen periode in de datastroom krijgen: de Video Data Period, Data Island Period en de Control Period. Om te kunnen versturen met een bepaalde snelheid, moet er een algemene klok zijn die de versturende en ontvangende kant synchroon te krijgen. Maar goed, voordat we teveel in het hdmi-protocol verdwalen, gaan we verder met bistream audio.

Decoderen

Marantz 9400 blu ray

Het mooiste en gemakkelijkste blijft nog wel een toegewijde blu-ray speler. Zeker als u ook gebruik wilt maken van lpcm. De high-end spelers kunnen vaak gescheiden audio en video uitsturen. Dat heeft een voordeel bij lpcm.

Om bitstream te kunnen afspelen, moet de zowel de zendende kant als de ontvangende kant voorzien zijn van minimaal hdmi 1.3. Met hdmi 1.1 en 1.2 gaat het niet.

De ontvangende kant krijgt via de hdmi-kabel de pure bitstroom (met header-info waarin staat om wat voor data het gaat en welke codec nodig is).

Om een voorbeeld te geven van wat er in de header kan staan:

  • Syncword (voor synchronisatie)
  • CRC
  • Sampling frequentie
  • Bit stream modus en id
  • Audio coding modus

De data wordt bij bitstreamen dus niet eerst gedecodeerd door de blu-ray speler. De receiver decodeert het signaal en zet het vervolgens om naar een analoog signaal.

Hetzelfde geldt overigens ook een beetje voor usb-audio: die werkt ook op basis van datapaketten. In deze datapakketten staat in de header ook staat welke codec nodig is en daar staat ook sync-info in om de datastroom goed te laten verlopen. Echter: het klokken gebeurt iets anders. Dat is onder meer afhankelijk van de receiverchip. Echter, net als bij  bitstreamen, gaat er geen lpcm meer over de digitale kabel, maar een datasignaal, met daarin de muziek verpakt.

Het voordeel van bitstream is dat het vrijwel immuun is voor jitter. Het gaat erom hoe goed de klok is aan de ontvangende kant. Als audio tenslotte wordt omgezet van digitaal naar analoog, gaat het er om hoe goede klok is in de dac / receiver. Niet hoe goed het kloksignaal over de kabel is gegaan. Immers: deze heeft niets te maken met de samplingfrequentie van het audiosignaal, zoals eerder uitgelegd. Dat is een groot pluspunt ten opzichte van de spdif-interface of zelfs i2s.

Echter, daar zit ook een gevaar. Als de fabrikant bespaart heeft op de receiverchips, decoders en klok, klinkt ook bitstream nergens naar. Het kan zelfs zo zijn dat lpcm dan beter klinkt (wij hebben het meegemaakt). Hoewel bitstream in wezen een betere manier is om data te versturen. De kabel heeft namelijk bijna geen invloed meer op de kwaliteit. En dat is een groot voordeel.

HDMI

Pioneer BDP LX91

Een voorbeeld van een blu-ray speler die audio en video gescheiden uitstuurt om jitter te drukken.

De reden dat we dit artikel hebben geschreven, is dat er vaak keuze is tussen twee manieren van versturen: lpcm en bitstream. Wij pleiten voor bitstream. Mede ook vanwege het feit dat lpcm via hdmi voor enorme jittertoename zorgt. Dat is vooralsnog niet te voorkomen bij het gezamenlijk versturen van audio, video en nog wat andere data (onder meer control bits). Deze data gaat ook nog met een alternatief kloksignaal mee, wat niet bevorderlijk is: aan de andere zijde moet de klok weer geregenereerd worden. Het resultaat is erg hoge jitter. (Wat diverse tests al hebben bewezen). Overigens zijn er wel al spelers die apart audio en video kunnen uitsturen (Pioneer heeft een model dat dat kan (De BDP LX90 uit ons hoofd). Dat verlaagt de jitter aanzienlijk.

Wrapping up
Het mag duidelijk zijn dat bitstream behoorlijk wat voordelen heeft boven (l)pcm. Het voordeel van het versturen van pure, onbewerkte datapakketten met ingebouwde timing- en decoding-informatie boven ‘fragiele’ audiobits en -bytes die puur afhankelijk zijn van een stabiel kloksignaal, is aanzienlijk. Wij hebben het al gemerkt met usb-audio dat op een soortgelijke basis werkt. Zolang er geen datapaketten verloren gaan, is er in wezen niets aan de hand. Moet natuurlijk wel de fabrikant met een fatsoenlijke klok aankomen en een fatsoenlijke receiverchip. Dat geldt voor zowel usb-audio als bitstream audio.

 

 

 

  • Jaap,

    Ik lees juist of veel fora dat de ps3 met de laatste software het dolby true HD ma signaal gewoon zelf kan decoderen en je juist het lpcm signaal moet gebruiken. Dus wat je stelt is tegenstrijdig wat ps3 specialisten noemen. Via bitstream instelling lukt dat miet om dat de ingebouwde decoder uit de oude ps3 dit niet aan kan. Echter Sony ps3 laat het decoderen nu door de cpu decoderen. Via de multi Channel in op de versterker wordt het signaal verder niet bewerkt maar gewoon doorgestuurd maar dit is wel degelijk het dolby try HD ma signaal.

  • Hallo Jaap bedankt voor je antwoord en toelichting op mijn vragen,ik heb nog een vraag: als ik lcpm via hdmi op de ps3 ingesteld heb en de knop display op de afstandsbediening van de ps3 druk, dts-hd master als geluids uitgave in het beeld rechts boven staan.Heb ook verschillende forums gelezen waarin word uitgelegd dat de ps3 via lcpm de audio zelf doet decoderen en dan door stuurt naar de versterker.En dat je daarom geen dts of andere logos in de display van de versterker ziet staan maar wel in de display optie van de ps3, en dat de versterker het gewoon als Multi channel door geeft aan de speakers.Het is voor mij als (leek) een beetje verwarrend allemaal……..

    • Dag David,

      Je kan een spoor kiezen, maar als je LPCM als uitgangsformaat hebt ingesteld, transcodeert de PS3 alles naar LPCM. Dat geeft niet, kan prima zijn, maar je speelt geen DTS-HD MA meer. Wat de fora zeggen: de PS3 zet alles zelf om naar LPCM. (dat heet in jargon transcoderen). Dan heb je nog steeds hoogwaardig multi channel geluid, maar in een ander formaat.

  • Hallo Jaap ik gebruik de ps3 ook voornamelijk voor blu-ray en games,ik heb nog het oude ps3 model de dikke versie met 80 gb.Ik heb de ps3 met een hdmi kabel 2.0 aan de versterker pioneer vsx-329 K aangesloten (hdmi ingang) en over de hdmi out op de versterker naar de tv.Ik heb op de ps3 de instelling hdmi als uitgang voor de audio gekozen.Maar nu komt het de ps3 Die kan alleen over lcpm dts-hd master en dolby thrue hd weer geven en niet over de instelling bitstream (dit vanwege het oudere ps3 model).Als ik jouwn artikel hier lees schrijf je dat bitstream de betere keus is, maar dan kan ik dts-hd master en dolby true hd niet meer afspelen (via bitstream geeft die alleen dts en dolby digitaal weer) wat is nou de betere keus? p.s als ik de ps3 op lcpm instel zie ik geen dts(-hd master) of dolby( true hd) logo in de display van de versterker staan…

    • LPCM is Lineair PCM. DTS, Doblby en varianten daarop zijn Package based, wat een totaal andere technologie is. Dus wil je DTS / Dolby of een variant, dan moet je niet kiezen voor LPCM.

  • Hallo Jaap is een ps3 een goede speler die lcpm goed weer/door geven kan? Ik heb de ps3 nu op lcpm staan i.p.v bitstream heb beide opties getest en vind personelijk de lcpm meer inhoud hebben met de weergave…

    • Dag David,

      Ik heb een PS3 voor blu-ray en games, maar eerlijk gezegd speel ik er geen muziek meer mee. Ik vond het te plat en hard. Heb zowel via optisch als hdmi gespeeld en vond beide niet heel overtuigend. Maar dat is natuurlijk een kwestie van eisen / wensen / gewenning.

      Ik kan me voorstellen dat lpcm bij muziek beter klinkt dan bitstream. Muziek is in PCM, dus dan hoeft er niet geconverteerd te worden.

  • Ik heb een Marantz NR1504 sinds 2 maanden. Nooit problemen mee ondervonden. Tot 2 dagen geleden bleef het pcm logo opeens knipperen en geluid viel dan ook iedere keer een paar sec weg. De bass van mij 5.1 set kreeg ook rare kuren. Of de bas viel helemaal weg of ik kreeg een opeenvolgende zware toon door mijn muziek. Als ik via mijn tv met de set luister, dan had ik hetzelfde probleem. Hoe kun je dan de instelling van pcm naar bittstream veranderen? Heb hier al uren naar gezocht maar ik kom er niet uit.

    • Beste Renee,

      Lijkt mij dat de receiver de lock van het signaal verliest. Vandaar dat het geluid ook wegvalt en andere zaken ook vreemde kuren vertonen. Het moet bijna wel aan de receiverkant zitten, aangezien het fenomeen ook via de tv speelt.

      Probeer eerst even de receiver naar standaardinstellingen te zetten. (Moet wel in de handleiding staan. Iets met standaardinstellingen of reset). Dan moet het in principe allemaal wel werken.

      Hoe je van PCM naar Bitstream gaat bij die specifieke receiver durf ik zo niet te zeggen. Hier is de handleiding:

      http://m.marantz.nl/DocumentMaster/NL/NR1504N_NED_CD-ROM_00A.pdf

      Als ik het goed begrijp, moet je op de ‘MOVIE’ knop drukken om te schakelen tussen diverse modi. De ingangsmodus staat standaard op automatisch (pagina 104 van de handleiding). Daar hoef je dus niets aan te doen.

      Wat je wellicht kan proberen, is de blu-ray speler (of dvd-speler) instellen op bitstream of PCM.

    • Hey Vincent,

      Ja, jitter is echt een groot probleem bij hdmi. Ik heb waarden van 1400 ps en zelfs over de 2000 gezien bij lpcm. Via bitstream is het stukken beter: <100 is zeker haalbaar.

  • Leuk, dat Bitstream protocol is nieuw voor mij.
    Als Google kom ik al gauw uit op DTS (single bit recording) en dat lijkt mij niet waar jouw articel over gaat.
    Is het een zelfstandig protocol of is het onderdeel van HDMI?
    Links?

    I2S
    Zoals ik het begrepen heb is de kracht van dit simpele protocol niet dat de clock op de bus staat maar dat deze clock gegenereerd wordt door 1 en dezelfde master clock.
    Ma.w. sender en receiver gebruiken dezelfde clock= 0 input jitter bij de DAC.

    • Dag Vincent,

      Bitstreamen gaat alleen via hdmi. (Tenminste, ik ben nog nooit een blu-ray spelers tegen gekomen dat het via coax of een optische interlink kan :-)). Dat heeft onder meer met bandbreedte te maken.

      Bitstreamen is een manier van transport. Bij bitstreamen stuur je het onbewerkte signaal direct van loopwerk (of pc, of console) naar de receiver die het vervolgens decodeert en omzet naar analoog. Je doet dus niets meer met het signaal. In tegenstelling tot ‘vroeger’. Toen werd het signaal naar lpcm omgezet om in de receiver omgezet te worden naar analoog. Door toename in bandbreedte kan nu alle ruwe data over de hdmi-kabel heen. Je kan audio dus ook uitsturen met lpcm, maar dat heeft nadelen. Zeker via hdmi.

      Bij I2S heb je inderdaad een master / slave vorm. Dat is een kracht, klopt. Ik heb een master / slave mod laten uitvoeren door Guido en dat is zéér goed hoorbaar. Was voor mij ook wel een bewijs dat spdif erg gevoelig is voor fouten tijdens transport :-).

      • Dan ben je nog niet veel blu tay spelers tegen gekomen of snap je niet zo veel van de materie als he wil doen voorkomen. Voor de hdmi kabel werd dolby digital en dts uitsluitend via optische en if coaxiale (75ohm) kabels in bitstream doorgestuurd. Dus je mag nig wel even de boeken in duiken voor je zoveel onzin meldt.

        • Heb ik ergens gezegd dat het compleet onmogelijk is om DTS of Doby via coax of optisch te versturen? Ik zei dat ik het nog niet was tegengekomen… dat was in november 2011… Inmiddels weet ik dat het mogelijk is via coax en optisch. (iedereen leert). Alleen DTS HD MA en Dolby True HD kunnen bijvoorbeeld niet. Dat ligt gewoon aan de bandbreedte van een optische of coaxiale kabel…

      • Optische kabel is juist zeer ongevoelig voor transport. Deze kabel hoeft niet afgeschermd te worden. De fouten onstaan alleen tijdens het omzetten van een electrische signaal naar een licht signaal. Maar beslist nauwelijks tijdens het transport. Optische kabels kunnen zelfs km’s lang zijn zonder verlies probeer dat maar eens met een electronisch signaal.

        • Optische kabels verschillen enorm in kwaliteit. Ga ze maar vergelijken. Een van de punten waarop ze verschillen is de connector en de interne aders: is het glas of kunststof bijvoorbeeld. Hoe is de kabel verder opgebouwd? Is het één grote ader of zijn het meerdere fibers parallel? Dat zou invloed kunnen hebben op de interne reflectie van de kabel… Kortom: optische kabels hebben zonder twijfel een invloed op de signaaloverdracht.

  • Geef een reactie

    XHTML: U kunt deze tags gebruiken: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>


    Gerelateerde items? Zie ook: