Lossless conversion between sigma-delta and pcm converters for digital audio applications, with human audible range analysis

Abstract

Pulse Code Modulation (PCM) has been the dominant format for signal representation since the early days of digital audio. This has come about because the compact disc (CD) uses PCM to encode audio. Recently, two high-resolution audio encoding formats have emerged and attempt to replace the CD as the dominant digital audio medium, DVD-Audio and SACD. DVD-A continues the CD tradition by using the same PCM digital audio technology, albeit with improved resolution. The other medium, SACD, encodes the signal in a one-bit format publicly named DSD. Presently, the technique used to encode the signal in DSD is based on Sigma-Delta Modulation (SDM). While both formats offer increased resolution over CD, the argument over which format is better is yet to be resolved at this point. Also, it remains unclear if conversions between these formats cause any audible effect. If an audibly lossless conversion between formats is possible, the argument over which is better would be mute. The thesis of this work is to try to answer these questions, in an attempt to perform lossless conversions between signals modulated in PCM and SDM. Conversions were made using lossless and lossy techniques. Lossless techniques proved unsuitable for audio applications and one-bit signal reconstruction. Lossy techniques were studied using both typical audio signal analysis and listening tests. The listening tests verified that conversions between both formats are indeed audibly lossless. The listening tests also determined the highresolution formats do not offer significant audible improvements over CD quality. These results lead to the conclusion that current high-resolution formats surpass human audible perception and offer higher quality representation than the accompanying analog hardware in the audio chain.

Pulse Code Modulation o PCM, ha sido el formato adoptado para representar las señales de audio desde el comienzo de la era de audio digital. Esto se debe a que el disco compacto (CD) utiliza PCM para codificar el audio digital. Recientemente han salido al mercado dos formatos de alta resolución, en un intento de reemplazar al CD como el medio dominante de audio digital, estos son DVD-Audio y SACD. DVD-A continúa la tradición del CD utilizando la misma tecnología PCM, pero con mayor resolución. El otro medio, SACD, codifica la señal en un formato de un bit, públicamente llamado DSD. Al día de hoy la técnica utilizada para codificar la señal DSD esta basada en Sigma-Delta Modulation o SDM. Aunque ambos formatos ofrecen mayor resolución que la del CD, al día de hoy todavía no se ha solucionado el argumento acerca de cual formato es mejor. Tampoco existe conclusión alguna acerca de si el cambio entre un formato y otro causa algún efecto audible. Si se puede lograr una conversión sin perdidas auditivas entre estos formatos de alta-resolución, el argumento acerca de cual es mejor quedaría sin efecto. La tesis de este trabajo es intentar resolver estas incógnitas por medio de un sistema que haga conversiones sin perdidas entre señales moduladas en ambos formatos, PCM y SDM. Las conversiones fueron hechas con sistemas sin perdidas y con perdidas. Las técnicas de conversiones sin pérdidas no resultaron ser efectivas para aplicaciones de audio, ni para aplicaciones que envolvieran reconstrucción de señales de un bit. Las técnicas de conversiones con pérdidas fueron examinadas utilizando típico análisis de señales de audio y pruebas de audio. Las pruebas de audio aseveraron que las conversiones entre los formatos de alta resolución no son perceptibles. Las pruebas de audio también determinaron que estos formatos de alta resolución no ofrecen mejoras de audio significativas sobre la calidad del CD. Con estos resultados se llegó a la conclusión de que los formatos modernos de alta resolución sobrepasan los niveles de percepción audible de los humanos y ofrecen una calidad de representación de la señal mayor a la del acompañante equipo análogo de la cadena de reproducción de audio.