Technik

 

 

Chord DAC-Technologie

Im aktuellen WTA-Filteralgorithmus stecken 20 Jahre Entwicklungsarbeit

 

 

WTA-Filter

Die Grundidee des WTA-Filters (Watts Transient Aligned) liegt in der Antwort auf die Frage, warum mit höheren Samplingfrequenzen abgespeicherte Musik besser klingt. Mittlerweile zweifelt niemand mehr daran, dass eine 96-kHz-Aufnahme besser klingt als eine Aufnahme in CD-Qualität (44,1 kHz). Oft wird als Erklärung bemüht, dass die 96-kHz-Aufnahme Schallanteile mit Frequenzen jenseits von 20 kHz enthält, die zwar außerhalb des menschlichen Hörvermögens liegen, jedoch trotzdem wahrgenommen werden. Doch warum klingt dann eine 384-kHz-Aufnahme noch besser und eine Aufnahme mit 768 kHz erst recht? Untersuchungen haben zudem ergeben, dass sogar Aufnahmen mit Samplingfrequenzen im Megahertz-Bereich noch einmal besser klingen können.

Es kann mit Sicherheit ausgeschlossen werden, dass der bessere Klang einer 768-kHz-Aufnahme etwas damit zu tun hat, dass sie Frequenzen jenseits von 200 kHz enthält. Weder ist das menschliche Ohr in der Lage, diese Frequenzen zu hören, noch können die verwendeten Instrumente und Mikrofone sie erzeugen bzw. aufnehmen. Und auch die Abhörkette aus Verstärker und Lautsprecher ist nicht in der Lage, sie wiederzugeben. Wenn also die zusätzliche Bandbreite nicht der Grund ist, warum diese Aufnahmen besser klingen, woran liegt es dann?

Das menschliche Ohr kann vielleicht keine Frequenzen im Ultraschallbereich wahrnehmen, es reagiert jedoch extrem empfindlich auf kleinste Zeitverschiebungen und Einschwingfehler. Seit Längerem ist bekannt, dass der menschliche Hörapparat Phasenverschiebungen von wenigen Mikrosekunden zwischen den beiden Ohren wahrnehmen kann. Diese minimalen Zeitunterschiede zwischen dem Eintreffen eines Signals an dem einen und dem anderen Ohr werden genutzt, um die Richtung hochfrequenter Töne zu orten. Wenn das menschliche Gehör aber in der Lage ist, solche Phasenverschiebungen bis in den Mikrosekunden-Bereich zu hören, müsste ein digitales Aufnahmesystem für eine perfekte Aufnahme einen Zeitversatz bis zu einer Mikrosekunde auflösen können. Dazu wäre eine Samplingfrequenz von 1 MHz nötig!

Doch selbst eine Aufnahme mit 44,1 kHz kann das Einschwingverhalten korrekt abbilden, wenn das Signal mit den richtigen digitalen Filtern behandelt wird. Digitale Filter können innerhalb gewisser Grenzen die Auflösung eines Signals verbessern, ohne dass dafür höhere Samplingraten nötig sind.

Dafür bräuchte man theoretisch ein Filter mit unendlicher Ordnung bzw. unendlicher Länge. Allerdings verfügen heutige Rekonstruktions-Filter nur über relativ kurze Längen – das beste allgemein verfügbare Filter besitzt eine Länge von 256 Elementen (Filter 255. Ordnung). Diese kurze Filter-Länge verursacht im Zusammenspiel mit den benutzten Algorithmen relativ starke Einschwingfehler, die sich im Experiment als deutlich hörbar herausgestellt haben. Die Erhöhung der Filterlänge von 256 auf 2048 führte zu einer deutlichen Verbesserung des Klangs mit einer viel glatteren und präziseren Wiedergabe und erheblich genauerer Bühnenabbildung.

Während der Experimente mit bestehenden Filter-Algorithmen zeigte sich, dass eine weitere Erhöhung der Filterlänge zu einer weiteren Klangverbesserung führte. Daraus ließ sich ableiten, dass eine quasi unendliche Filterlänge nötig wäre, um den optimalen Klang zu erreichen. Um dieses Dilemma zu umgehen, entwickelte Robert Watts einen gänzlich neuen Algorithmus – den „Watts Transient Aligned“-Filter (WTA-Filter) -, der darauf ausgelegt ist, Phasen- und Zeitfehler von Anfang an zu minimieren und dadurch die Anforderungen an die Filterlänge zu reduzieren. Das Ergebnis spricht für sich: Ein WTA-Filter mit einer Länge von 256 Elementen klingt besser als jeder konventionelle Filter, selbst wenn dieser über 2048 Elemente verfügt. Und dabei ist noch weiterer Raum für Verbesserungen, denn auch ein WTA-Filter profitiert von größeren Filterlängen und klingt etwa spürbar besser, wenn man die Länge von 256 auf 1024 Elemente erhöht.

Alle WTA-Filter in Produkten von Chord Electronics nutzen deshalb mindestens 1024 Elemente. Diese werden innerhalb eines speziell gestalteten 64-bit-DSP-Chips in FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) programmiert.

„Pulse-Array“-DAC der vierten Generation

Der natürliche Klang der „Pulse-Array“-Wandlertechnologie hat Tester und Experten auf der ganzen Welt überzeugt und begeistert. In der aktuellen vierten Generation der Technologie kommt ein 64-bit-Noise-Shaping der 7. Ordnung zum Einsatz, zudem arbeitet der Algorithmus mit 2048-fachem Oversampling und verbesserter Pulsweitenmodulation. Diese Detailverbesserungen äußern sich in einer messbaren Qualitätsverbesserung, noch feinerer Detailauflösung und präziseren Wiedergabe.

64-bit-Wandler und Filter

Ein großer Vorteil davon, Wandler und Filter mit 64-bit-Architektur zu nutzen, liegt darin, dass – anders als bei herkömmlichen Filtern unvermeidbar – keine Bits während der Bearbeitung verloren gehen können. Diesen Vorteil spielt die 64-bit-Architektur vor allem bei der digitalen Lautstärkeregelung aus, die hier im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen ohne den Verlust von Bits und damit Auflösung und Klangqualität erfolgen kann.

Digitaler Receiver-Chip

Der Receiver-Chip sitzt direkt an den digitalen Anschlüssen und ist dafür verantwortlich, die eingehenden Signale neu zu takten und so umzuwandeln, dass das Filter sie verarbeiten kann. Der neu entwickelte Chip, der in allen digitalen Chord-Produkten zum Einsatz kommt, weist vor allem zwei große Vorteile auf: die volldigitale Datenextraktion und den integrierten RAM-Pufferspeicher, in dem zunächst alle eingehenden Rohdaten zwischengespeichert werden. Die digitale Datenextraktion ist so ausgelegt, dass sie auch in schwierigen Situationen die Daten akkurat und fehlerfrei ausliest. Im RAM-Puffer werden mithilfe eines jitterfreien eigenen Taktgebers alle Signale neu getaktet, bevor sie an das Filter weitergegeben werden.

Chord implementiert diese digitalen Innovationen in sogenannten Field Programmable Gate Arrays des Chip-Herstellers Xilinx, in denen bis zu 200.000 verschiedene Gates den Anforderungen entsprechend konfiguriert werden können. Es besteht zudem die Möglichkeit, jederzeit Updates aufzuspielen, sodass dieser technische Ansatz sehr zukunftssicher ist.

 

Chord-Verstärker-Design

Das Herz eines Verstärkers ist das Netzteil …

Das Herz eines jeden Verstärkers ist das Netzteil, mit dem die eingehende Netzspannung auf die Arbeitsspannung des Verstärkers gewandelt wird.

Allgemein gesprochen, gibt es zwei verschiedene Arten von Leistungshalbleitern, bipolare Transistoren oder „Metal-on-Silicon“-Transistoren (MOSFET), wobei letztere üblicherweise sehr viel teurer in der Herstellung sind.

Der erste wirklich leistungsfähige bipolare Transistor, der weitverbreitete 2N3055, wurde ursprünglich entwickelt, um eine Atombombe zu zünden. Denn wie alle bipolaren Transistoren ist auch der 2N3055 eigentlich nur ein simpler Ein-/Aus-Schalter. Als solche haben sie entscheidende Nachteile, denn in der Übergangsphase zwischen Ein und Aus ist ihr elektrisches Verhalten keineswegs vorbildlich. Unglücklicherweise ist das aber genau der Zustand, in dem sie sich meistens befinden, wenn sie in Audioverstärkern eingesetzt werden.

Alle Verstärker von Chord arbeiten mit speziellen MOSFETs, die von einem britischen Halbleiter-Hersteller exklusiv für Chord Electronics entwickelt wurden. Dabei konnte der Hersteller auf seine langjährigen Erfahrungen im Luftfahrtsektor zurückgreifen. Trotzdem stellte der Wunsch von Chord nach einem 200-Volt-/300-Watt-MOSFET durchaus eine Herausforderung für das Unternehmen dar. Diese lösten die Entwickler, indem sie eine neuartige Technik entwickelten, um zwei parallel geschaltete Chips in einem herkömmlichen TO3-genormten Gehäuse unterzubringen. Daraus ergibt sich unter anderem der Vorteil einer perfekten Wärmekopplung, sodass auf die sonst üblichen Widerstände zum Temperaturausgleich im Verstärkerzug verzichtet werden kann. Dadurch konnten sowohl die Effektivität als auch die Stabilität des Verstärkers deutlich verbessert werden.

In den vergangenen Jahren wurde dieses Verstärkerprinzip von Chord Electronics immer weiter entwickelt und wird aktuell in seiner fünften Generation eingesetzt. Selbst in den kleinsten und kompaktesten Chord-Verstärkern kommt diese exklusive Technologie zum Einsatz.

Warum der ganze Aufwand?

Viele andere High-End-Verstärker nutzen bipolare Transistoren im „Class-A“-Betrieb. Das bedeutet, dass diese Verstärker ständig Leistung produzieren, auch wenn gar keine Leistung gefordert ist. Diese überflüssige Leistung wird dann als Hitze abgeführt, was sehr große Kühlelemente und insgesamt größere Bauteile nötig macht. Lange Zeit war der einzige Vorteil von bipolaren Transistoren ihre bessere Übertragungswirkung, doch in diesem Bereich haben die Chord-eigenen MOSFETs längst aufgeschlossen.

Entwickler wählen für ihre Verstärker ein „Class-A“-Design, um die Probleme im Übergangsbereich zu vermeiden, wenn bipolare Transistoren ständig ein- und ausgeschaltet werden. Eine Alternative stellt der teilweise „Class-A“-Betrieb dar, oft „Class A/B“ genannt. Verstärker mit diesem Ansatz entwickeln jedoch wiederum eigene Probleme und leiden oft unter wechselhafter Leistung je nach Betriebstemperatur und einer großen Produktionsstreuung zwischen einzelnen Geräten.

Unsere Schutzschaltung

Für seine Verstärker hat Chord eine eigene Schutzschaltung entwickelt, das Chord Output Protection System. Dabei wird der magnetische Fluss zwischen beiden Polen des Netzteils ständig überwacht und auf kleinste Unterschiede hin untersucht. Dabei kommt ein mathematischer Algorithmus zur Anwendung, der – vereinfacht gesagt – die Frage untersucht: „Ist die abgerufene Leistung erforderlich oder nicht?“ Beruht die geforderte Leistung tatsächlich auf einem Eingangssignal, wird sie ohne Verzögerung bereitgestellt. Beruht sie nicht auf einem Eingangssignal, dann ist höchstwahrscheinlich ein Fehler wie zum Beispiel ein Kurzschluss die Ursache, der die Lautsprecher beschädigen könnte. In diesem Fall wird die Leistungsabgabe des Verstärkers unterbunden und das Gerät zum Schutz der Lautsprecher in den Standby-Modus geschaltet.