Le misure dei DAC e la risoluzione in senso analogico
Inviato: 28/07/2025, 10:42
Come per i diffusori, nonostante esistano degli standard, spesso le riviste e i recensori seguono proprie convenzioni ed è difficile fare confronti tra misure pubblicate su testate diverse. Lo standard di riferimento è l'AES17.
A volte gli standard sono "sorpassati" dai progressi tecnologici, basti pensare alle specifiche DIN 45500 che oggi appaiono fin troppo indulgenti rispetto a quanto è possibile ottenere.
Altresì, gli standard possono essere concepiti per facilitare le misure con setup di un certo tipo (tipo banchi di misura analogici) e risultare "proceduralmente" obsoleti se messi a confronto con le possibilità dei sistemi digitali odierni.
Ma quanto contano le misure?
Ognuno può rispondere come preferisce a questa domanda. L'industria e la pubblicistica, d'altronde, sono sempre state molto ambivalenti su questo. Da una parte spingendo su nuovo hardware e nuovi formati (DSD e SACD, hi-res, etc.) per superare, a detta loro, i limiti della "qualità CD". Dall'altra giustificando o minimizzando l'incapacità di moltissimi prodotti di arrivare anche solo a quei fatidici 16 bit di risoluzione (figuriamoci a superarli).
Gamma dinamica
Per gamma dinamica (dynamic range, DR) si intende il rapporto tra la massima e la minima ampiezza del segnale riproducibile.
La minima ampiezza del segnale riproducibile si identifica, in genere, con il livello del rumore di fondo.
La massima ampiezza del segnale riproducibile può variare da apparecchio ad apparecchio. In genere è 2 V (rms) per uscite unipolari e 4 V (rms) per uscite "bilanciate", ma DAC con funzionalità di pre linea (come il Benchmark DAC-3 o il Teac UD-503) superano tranquillamente questi livelli in uscita.
A parità di rumore di fondo, se un DAC esce a tensione più alta (6, 8, o magari 10 V rms) avrà una gamma dinamica superiore, ma non è detto venga sfruttata se poi comunque si lavora a livelli inferiori.
Per questo motivo la gamma dinamica, di per sé, non è un dato privo di equivoci.
Si potrebbe citare il rumore di fondo, una volta fissati criteri di banda e pesatura. I costruttori diligenti lo fanno, ma non è la regola.
L'AES17 non parla di dynamic range.
Rapporto segnale/rumore
Il rapporto segnale/rumore è, lo dice la parola, il rapporto tra l'intensità di un segnale e quella del rumore di fondo. Se non si fissa il livello del segnale, la quantità non è definita. Se la si fissa al livello massimo riproducibile, la definizione diventa molto simile a quella di gamma dinamica, motivo per cui spesso le due definizioni vengono usate in modo intercambiabile.
Secondo AES17 la misura del rumore di fondo si fa con un tono a 997 Hz a -60 dBFS. Vediamo perché:
- la frequenza è vicina a quella "standard" di 1 kHz, nella parte centrale della gamma udibile. Tuttavia 1 kHz è, tra le altre cose, multiplo di 50 Hz e sia il tono di misura che le sue armoniche (distorsione) possono confondersi con le spurie della frequenza di rete. 997 è un numero primo, quindi non ha sottomultipli esatti eccetto 1 Hz, che però è ben al di fuori della banda audio;
- in mancanza di segnale, molti dispositivi sono "muti" e il rumore di fondo non può essere misurato;
- in presenza di segnale, si può avere distorsione, che vogliamo misurare separatamente; l'uso di un segnale a -60 dBFS dovrebbe limitare l'influenza dei prodotti di distorsione.
AES17 stabilisce che la misura di SNR sia riferita in unità di dBFS, quindi relazionata al massimo livello riproducibile (FS, fondo scala). Ritroviamo il problema di cui sopra, il fondo scala può essere relativo a livelli di tensione diversi.
AES17 non prevede che la distorsione residua sia rimossa dalla misura, probabilmente per rendere la misura effettuabile con banchi analogici. Rimuovere la distorsione dalla misura è certamente possibile con i sistemi digitali basati sulla FFT (che comunque dovrebbero prevedere la possibilità di replicare in toto le condizioni dello standard).
SINAD
Resa popolare da AudioScienceReview, questa misura si trovava un tempo per lo più riferita ad apparecchi a radiofrequenza. Il SINAD è simile allo SNR ma include i prodotti di distorsione nel computo. Con il progressivo miglioramento delle caratteristiche dei convertitori, livelli elevati di SNR sono diventati abbastanza comuni e si è cominciato a guardare anche alla distorsione.
In pratica si stabilisce il livello del segnale di prova (fisso, o fondo scala) e si misura la THD+N. Generalmente la THD+N (distorsione + rumore) sarà più elevata che il rumore valutato come nel caso della prova di rapporto S/N, quindi la misura di SINAD è molto meno indulgente.
Il SINAD può essere dominato dalla distorsione o dal rumore, il solo numero non permette di determinare quale dei due sia più elevato.
Risoluzione effettiva o ENOB
Affinché si possa distinguere il valore di un determinato bit nel dominio analogico, è necessario che la differenza di livello prodotta dalla commutazione del bit sia distinguibile rispetto al rumore di fondo. Con un po' di matematica si può stabilire che ogni bit di risoluzione corrisponde a circa 6 dB di gamma dinamica (meno qualche fattore correttivo che possiamo per il momento ignorare).
Invertendo il criterio, se si prende il rapporto S/N in dB e lo si divide per 6, si ottiene il numero effettivo di "bit" riproducibili. Questo vale anche per le elettroniche analogiche. Se abbiamo un pre con 90 dB di SNR, riuscirà a "trasferire" fedelmente solamente 15 dei 16 bit di risoluzione del CD (1 bit va perduto). I sistemi analogici non hanno risoluzione infinita.
Con queste premesse, si può definire la risoluzione effettiva (o ENOB, effective number of bits). Ma bisogna decidere da quale numero partire: SNR o SINAD? E riferiti a quale livello?
AudioScienceReview parla di "bits of distortion-free range" o "bits of dynamic range" a seconda, quindi dovrebbe essere sempre comprensibile a cosa si riferisce il recensore.
Da una prova di AudioReview (Montanucci) che ho per le mani, un DAC con 120 dB di gamma dinamica risulta avere 18.1 bit di risoluzione effettiva. Se prendessimo a riferimento i 120 dB dovremmo avere 20 bit ma da numeri e grafici non è possibile stabilire gli ingredienti del calcolo. Solitamente queste misure sono descritte una volta in un numero della rivista e si da per scontato che il lettore lo sappia / se lo ricordi.
Audio Precision, per la cronaca, riporta che l'ENOB si deriva dal SINAD.
A volte gli standard sono "sorpassati" dai progressi tecnologici, basti pensare alle specifiche DIN 45500 che oggi appaiono fin troppo indulgenti rispetto a quanto è possibile ottenere.
Altresì, gli standard possono essere concepiti per facilitare le misure con setup di un certo tipo (tipo banchi di misura analogici) e risultare "proceduralmente" obsoleti se messi a confronto con le possibilità dei sistemi digitali odierni.
Ma quanto contano le misure?
Ognuno può rispondere come preferisce a questa domanda. L'industria e la pubblicistica, d'altronde, sono sempre state molto ambivalenti su questo. Da una parte spingendo su nuovo hardware e nuovi formati (DSD e SACD, hi-res, etc.) per superare, a detta loro, i limiti della "qualità CD". Dall'altra giustificando o minimizzando l'incapacità di moltissimi prodotti di arrivare anche solo a quei fatidici 16 bit di risoluzione (figuriamoci a superarli).
Gamma dinamica
Per gamma dinamica (dynamic range, DR) si intende il rapporto tra la massima e la minima ampiezza del segnale riproducibile.
La minima ampiezza del segnale riproducibile si identifica, in genere, con il livello del rumore di fondo.
La massima ampiezza del segnale riproducibile può variare da apparecchio ad apparecchio. In genere è 2 V (rms) per uscite unipolari e 4 V (rms) per uscite "bilanciate", ma DAC con funzionalità di pre linea (come il Benchmark DAC-3 o il Teac UD-503) superano tranquillamente questi livelli in uscita.
A parità di rumore di fondo, se un DAC esce a tensione più alta (6, 8, o magari 10 V rms) avrà una gamma dinamica superiore, ma non è detto venga sfruttata se poi comunque si lavora a livelli inferiori.
Per questo motivo la gamma dinamica, di per sé, non è un dato privo di equivoci.
Si potrebbe citare il rumore di fondo, una volta fissati criteri di banda e pesatura. I costruttori diligenti lo fanno, ma non è la regola.
L'AES17 non parla di dynamic range.
Rapporto segnale/rumore
Il rapporto segnale/rumore è, lo dice la parola, il rapporto tra l'intensità di un segnale e quella del rumore di fondo. Se non si fissa il livello del segnale, la quantità non è definita. Se la si fissa al livello massimo riproducibile, la definizione diventa molto simile a quella di gamma dinamica, motivo per cui spesso le due definizioni vengono usate in modo intercambiabile.
Secondo AES17 la misura del rumore di fondo si fa con un tono a 997 Hz a -60 dBFS. Vediamo perché:
- la frequenza è vicina a quella "standard" di 1 kHz, nella parte centrale della gamma udibile. Tuttavia 1 kHz è, tra le altre cose, multiplo di 50 Hz e sia il tono di misura che le sue armoniche (distorsione) possono confondersi con le spurie della frequenza di rete. 997 è un numero primo, quindi non ha sottomultipli esatti eccetto 1 Hz, che però è ben al di fuori della banda audio;
- in mancanza di segnale, molti dispositivi sono "muti" e il rumore di fondo non può essere misurato;
- in presenza di segnale, si può avere distorsione, che vogliamo misurare separatamente; l'uso di un segnale a -60 dBFS dovrebbe limitare l'influenza dei prodotti di distorsione.
AES17 stabilisce che la misura di SNR sia riferita in unità di dBFS, quindi relazionata al massimo livello riproducibile (FS, fondo scala). Ritroviamo il problema di cui sopra, il fondo scala può essere relativo a livelli di tensione diversi.
AES17 non prevede che la distorsione residua sia rimossa dalla misura, probabilmente per rendere la misura effettuabile con banchi analogici. Rimuovere la distorsione dalla misura è certamente possibile con i sistemi digitali basati sulla FFT (che comunque dovrebbero prevedere la possibilità di replicare in toto le condizioni dello standard).
SINAD
Resa popolare da AudioScienceReview, questa misura si trovava un tempo per lo più riferita ad apparecchi a radiofrequenza. Il SINAD è simile allo SNR ma include i prodotti di distorsione nel computo. Con il progressivo miglioramento delle caratteristiche dei convertitori, livelli elevati di SNR sono diventati abbastanza comuni e si è cominciato a guardare anche alla distorsione.
In pratica si stabilisce il livello del segnale di prova (fisso, o fondo scala) e si misura la THD+N. Generalmente la THD+N (distorsione + rumore) sarà più elevata che il rumore valutato come nel caso della prova di rapporto S/N, quindi la misura di SINAD è molto meno indulgente.
Il SINAD può essere dominato dalla distorsione o dal rumore, il solo numero non permette di determinare quale dei due sia più elevato.
Risoluzione effettiva o ENOB
Affinché si possa distinguere il valore di un determinato bit nel dominio analogico, è necessario che la differenza di livello prodotta dalla commutazione del bit sia distinguibile rispetto al rumore di fondo. Con un po' di matematica si può stabilire che ogni bit di risoluzione corrisponde a circa 6 dB di gamma dinamica (meno qualche fattore correttivo che possiamo per il momento ignorare).
Invertendo il criterio, se si prende il rapporto S/N in dB e lo si divide per 6, si ottiene il numero effettivo di "bit" riproducibili. Questo vale anche per le elettroniche analogiche. Se abbiamo un pre con 90 dB di SNR, riuscirà a "trasferire" fedelmente solamente 15 dei 16 bit di risoluzione del CD (1 bit va perduto). I sistemi analogici non hanno risoluzione infinita.
Con queste premesse, si può definire la risoluzione effettiva (o ENOB, effective number of bits). Ma bisogna decidere da quale numero partire: SNR o SINAD? E riferiti a quale livello?
AudioScienceReview parla di "bits of distortion-free range" o "bits of dynamic range" a seconda, quindi dovrebbe essere sempre comprensibile a cosa si riferisce il recensore.
Da una prova di AudioReview (Montanucci) che ho per le mani, un DAC con 120 dB di gamma dinamica risulta avere 18.1 bit di risoluzione effettiva. Se prendessimo a riferimento i 120 dB dovremmo avere 20 bit ma da numeri e grafici non è possibile stabilire gli ingredienti del calcolo. Solitamente queste misure sono descritte una volta in un numero della rivista e si da per scontato che il lettore lo sappia / se lo ricordi.
Audio Precision, per la cronaca, riporta che l'ENOB si deriva dal SINAD.
