Audio Digital DSD Explicado: Modulación PDM / Delta-Sigma

DSD una marca registrada

Vamos a empezar aclarando el significado de DSD, estas son las iniciales para Direct Stream Digital y este nombre en realidad no es una por si solo una tecnología de codificación de audio como por ejemplo sería el PCM, en realidad DSD es una marca registrada por SONY y PHILLIPS para comercializar la tecnología de codificación de audio que decidieron utilizar para el formato SUPER AUDIO CD o (SACD). Luego entonces la tecnología de codificación detrás del DSD es conocida como  MODULACION POR DENSIDAD DE PULSOS abreviada en inglés como PDM. En concreto DSD es el nombre que SONY y PHILLIPS le dieron a su implementación de PDM. Así que en el resto del video usaremos DSD o PDM dependiendo de si nos referimos a la tecnología PDM en general o bien a la implementación especifica de DSD.

PCM vs PDM

Y bueno, el nombre ya nos da una pista de las diferencias entre PCM y PDM, mientras que en la codificación PCM se asignan valores precisos de amplitud a cada muestra de la señal de audio, en la codificación PDM la amplitud de la señal está determinada por la densidad de pulsos positivos y negativos registrados en el tiempo. Esto es un poco difícil de visualizar solo leyéndolo, por lo que vamos a explicarlo al mismo tiempo que vemos las diferencias con el formato PCM.

En PCM tenemos un flujo de valores de amplitud cuya resolución está determinada por el número de bit a cada muestra, por ejemplo en el caso del CD tenemos 44,100 valores de 16 bits por segundo. Es decir que tenemos una sucesión de valores donde se codifica la posición exacta de nuestra señal de audio en el tiempo.

En cambio en la implementación de PDM para DSD tenemos un flujo de pulsos con una resolución de un solo bit, es decir que tenemos una serie de valores que se verían como esto.

Como puedes ver el audio es representado por una sucesión simple de ceros y unos, y de ahí deriva el nombre de Direct Stream Digital.

Densidad de pulsos como amplitud

Si ponemos algunos esos valores en un gráfica esta se vería así (rojo), pero la señal de audio a la que equivalen seria esta (Azul).

Lo primero que hay que observar es que un 1 corresponde al valor máximo y un cero al mínimo, por lo que de entrada no queda muy claro cómo es que esos valores son el equivalente de nuestra señal de audio, así que vamos a cambiar la gráfica de nuestros valores por segmentos de color, donde el azul representa un 1 o un pulso positivo y el blanco representa un 0 o un pulso negativo, ahora podemos ver con mucha mayor claridad que en las zonas donde la densidad de pulsos positivos es mayor la señal tiende a subir, por el contrario en zonas donde la densidad de pulsos negativos es mayor la señal tiende a bajar, y como es lógico en zonas con valores intermitentes la señal se mantiene por la mitad.

Como podemos ver los valores 0 y 1 indican diferencias en la amplitud de la onda y una diferencia en matemáticas es representada por la letra DELTA, pero además el valor de la amplitud de la onda es determinado por una sumatoria de pulsos, y en Matemáticas la sumatoria es representada con la letra SIGMA. Es por eso que a este método de modulación también se le conoce como Delta-Sigma.

Aunque es un poco más compleja de lo que acabamos de explicar, ya tenemos una idea general de cómo funciona la MODULACION POR DENSIDAD DE PULSOS, sin embargo vamos a revisar un poco más a detalle su implementación en el formato DSD, hay que recordar que la idea que tuvieron SONY y PHILLIPS al crear el formato SACD era la de superar la calidad de audio del disco compacto convencional.

Sin embargo, en primera instancia podría parecer que DSD es un formato de mucha menor resolución, ya que DSD tiene un solo bit de resolución por muestra, contra los 16 bits de resolución del formato PCM utilizado en el CD.

Pero, ya explicamos que en PDM la amplitud de la señal está determinada por la densidad de pulsos, por lo que cuanto mayor sea la densidad de pulsos mayor será la resolución de nuestra amplitud, por lo que en DSD se decidió usar una  velocidad de muestreo 64 veces mayor que la utilizada en el formato de CD.

Entonces en el mismo espacio de tiempo donde existe solo un registro de 16 bits en el formato PCM, tenemos 64 registros o pulsos en el formato DSD, esto permite que su resolución teórica sea inclusive mayor que la del formato PCM.

Una forma en la que a mí me gusta visualizar la diferencia fundamental de PDM contra PCM, es considerar que en lugar de poner muchos bits en el eje de la amplitud como se hace en PCM,  en PDM estos bits se distribuyen en el eje del tiempo para que en estos se almacene el valor de la amplitud de nuestra onda, espero sinceramente que eso les haga sentido para entenderlo mejor.

DSD es mejor que CD?

Entonces vamos a hacer cuentas, el formato DSD tiene una velocidad de muestreo 64 veces mayor, pero solo utiliza un dieciseisavo de los bits por muestra cuando sele compara con el CD, entonces 64/16 nos indica que DSD utiliza 4 veces más bits por segundo que el formato de CD.

Lo anterior definitivamente no quiere decir que sea 4 veces mejor que el formato de CD, puesto que realmente resulta imposible hacer una comparación directa entre ambos formatos, solo nos indica que efectivamente utiliza más bits por segundo para almacenar nuestra señal de audio.

Si vieron el video de la codificación PCM, ahí mencionamos que si queríamos mejorar nuestra resolución había incrementar la cantidad de bits por muestra así como aumentar la cantidad de registros por segundo. De igual manera se puede mejorar la resolución del formato DSD, esto lógicamente se hace aumentando la cantidad de muestras por segundo, así al DSD “estándar” se le conoce como DSD64 por como dijimos tener una velocidad de muestreo 64 veces mayor a la del CD, pero también existe DSD 128, 256 y 512 con el respectivo aumento en el número de muestras por segundo.

Hay que decir que en el mundo “audiofilo” el formato DSD64 (que es el más común y el usado en el SACD) es considerado aproximadamente equivalente a un archivo PCM codificado en 20-bit y 96KHz. Lo que resulta en un archivo PCM que ocupa aproximadamente 3/4 partes del espacio de almacenamiento de un DSD64.

SACD es un fracaso… comercialmente hablando

Lamentablemente para sus fans, en la actualidad el SACD no tiene mucho uso y ya no se editan nuevos álbumes, por lo que en general se considera un fracaso comercial, solo se editaron alrededor de 6200 álbumes de los cuales aproximadamente la mitad son de música clásica.

Si quieres probar el formato DSD, existen varios sitios donde gratuitamente puedes descargar archivos de música en formato DSD, estos los puedes reproducir usando foobar2000 con su respectivo plugin para sacd, pero no tan rápido antes de que vayas y empieces a descargar archivos, debo decirte que lo más seguro es que tu tarjeta de sonido no soporte la codificación PDM de los archivos DSD, así que foobar lo va a convertir a PCM antes de enviarlo a tu tarjeta de sonido, pero si tienes una interface de audio que soporte formatos PCM de mayor fidelidad bien pudieras darte una idea de cómo se escucha el formato DSD.

TL;DR

• DSD es la implementación de PDM para SACD.
• En DSD la amplitud esta determinada por la densidad de pulsos binarios.
• SACD es un formato casi descontinuado pero con una base de seguidores fieles por su calidad superior al CD.

Quieres saber mas?

También puedes ver nuestro articulo/video sobre la codificacion PCM: https://www.defectodigital.com.mx/pcmaudio/